Гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ДП “ЦЕНТРАЛЬНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

НАВІГАЦІЇ І УПРАВЛІННЯ”

ГАРАНТУВАННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ ТОЧНОСТІ НАВІГАЦІЙНИХ ВИЗНАЧЕНЬ В СКЛАДНІЙ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІЙ ОБСТАНОВЦІ РОБОТИ КОНТРОЛЬНО-КОРЕГУЮЧИХ СТАНЦІЙ

05.22.13 - навігація та управління рухом

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Гуменюк Володимир Олександрович

УДК 351.814.339 + 621.396.676

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Об'єднаному оперативному командуванні Збройних Сил України, м. Київ.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Пашков Дмитро Павлович, Національна академія оборони України, м. Київ, докторант.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бєляєвський Леонід Степанович, Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, м. Київ, професор кафедри транспортного права, системного аналізу та логістики.

кандидат технічних наук, доцент Фриз Сергій Петрович, Житомирський військовий інститут Національного авіаційного університету, м. Житомир, доцент кафедри геоінформаційних і космічних систем.

Захист відбудеться 26.02.2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.876.01 ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління” за адресою:

04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20; ауд. 210.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління” за адресою :

04073, м. Київ, вул. Фрунзе, 160/20.

Автореферат розісланий 21.01.2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К26.876.01 В.П.Гарам

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В роботі наведені результати обґрунтування завадозахисту контрольно-коригуючих станцій для гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень шляхом використання синтезованої інваріантної антенної решітки контрольно-коригуючої станції, що працює в складній електромагнітній обстановці.

Актуальність теми. Широке розповсюдження різноманітних високошвидкісних транспортних засобів (ВТЗ) класу AVL вимагає високоякісного навігаційного забезпечення. Найбільш швидкісними транспортними засобами (ТЗ) є космічні та літаючі апарати (ЛА). Міжнародною організацією ІСАО визначені основні задачі розвитку цивільної авіації. Пріоритетними є задачі підвищення безпеки та регулярності польотів. Одним із основних чинників, що визначає успішне вирішення зазначених задач, є рівень якості радіонавігаційного забезпечення (РНЗ) польотів. За вимогою концепції необхідних навігаційних параметрів RNP ІСАО РНЗ має бути все більш надійним і точним.

Точність визначення пеленгу ЛА традиційним РНЗ становить від 2 до 10 градусів, а точність визначення місцезнаходження ЛА становить від десятків кілометрів до десятки метрів, залежно від класу задач, що вирішуються. Крім того, показники точності існуючого РНЗ значно погіршуються в умовах складної електромагнітній обстановці (ЕМО), яка зумовлена високими рівнями завад природного та штучного походження. Погіршення точності навігаційних визначень при управлінні ТЗ в складній ЕМО порушує впорядкований транспортний потік та впливає на безпеку руху.

Стратегія більшості користувачів ВТЗ полягає в еволюційному переході на супутникову навігацію, як базовий засіб навігації. Для підвищення умов забезпечення безпеки руху ВТЗ, радіонавігаційним планом України передбачається створення Національної системи космічного навігаційно-часового забезпечення (СКНЧЗ) з використанням космічних навігаційних систем (КНС) НАВСТАР, ГЛОНАСС, GALILEO, проекту EGNOS а також відомчих диференційних наземних підсистем та мережі контрольно-коригуючих станцій (ККС), як основи РНЗ України.

При експлуатації ККС на території України постало ряд труднощів. Найбільш суттєвим є те, що у частотному діапазоні функціонування ККС спостерігається високий рівень індустріальних завад. Можливе забруднення радіочастотного спектру, зумовлене випроміненням радіоелектронних засобів, особливо засобів мобільного зв'язку. При цьому запас сигналу КНС по потужності біля поверхні Землі може складати менше, аніж 2 дБ, щоб не створювати завади каналам наземного рухомого зв'язку, що працюють в цьому ж частотному діапазоні на первинній основі. Тому в умовах ЕМО довільна завада вище рівня власних шумів приймача ККС може спричинити проведення навігаційних визначень з недопустимими похибками. Як наслідок, ККС не має іншої можливості збільшити свою завадозахищеність, окрім як за рахунок просторово-часової обробки сигналів. Використання в ККС традиційних антен не дає можливості здійснювати просторово-часову обробку сигналів для покращення завадозахисту.

В широкосмугових системах з антенними решітками (АР) прийом та обробку сигналів розглядають як єдиний процес, в якому приймач та антена приймають участь як єдина система - антена з обробкою сигналу. Широке використання методів цифрової обробки сигналів знаходить відображення в проектуванні ККС з використанням цифрових антенних решіток (ЦАР).

Для вирішення навігаційної задачі в умовах складної ЕМО ККС, шляхом просторово-часової обробки сигналів, необхідно забезпечити: формування множини навігаційних космічних апаратів (НКА), що гарантують точність навігаційних визначень; адаптовану до частоти завади й сигналу діаграму спрямованості (ДС); цілеспрямоване застосування компонентів ЦАР.

Все це вимагає розробки нової антени ККС з просторово-часовою обробкою сигналів, що забезпечить виконання вище зазначеним підвищеним вимогам. Дані вимоги можуть бути виконані, якщо забезпечити обробку сигналів на принципах інваріантності (до частоти корисних сигналів та завад). Такі антенні решітки (ІАР) можливо побудувати зміною приймального аналогового тракту та на базі ЦАР.

Таким чином, у теперішній час при організації управління AVL загострилось протиріччя між наявною точністю навігаційних визначень існуючого РНЗ ККС та вимогами замовників у ХХІ столітті щодо точності визначення місцезнаходження, в умовах складної ЕМО.

Для розв'язання цього протиріччя необхідно вирішити актуальне наукове завдання щодо гарантування точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці експлуатаційних режимів роботи ККС для диференційної навігації.

Основою для виконання цієї роботи став системний аналіз наукових досягнень Шебшаєвича В.С., Гофман-Велленгофа Б., Ліхтенеггера Г., Коллінза Д., Бєляєвського Л.С., Скорика Є.Т., Козелкова С.В., Баранова Г.Л., Коніна В.В., Коваленка М.В., Машкова О.А., Монзинго Р.А., Уайта Д., Царькова Н.М. та інших вітчизняних та закордонних вчених.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводилися у відповідності з Загальнодержавною цільовою науково-технічною космічною програмою України на 2008-2012 роки (проекти “Навігація”, “Безпека”, “Геомережа”), Державною програмою розвитку озброєння і військової техніки Збройних Сил України та планами наукової і науково-технічної діяльності ДП “Центральний науково-дослідний інституту навігації і управління”.

Основні результати дисертаційної роботи реалізовані у науково-дослідних роботах за темою:

- “Розробка матеріалів аванпроекту на завадозахист ККС в частині створення антено-фідерного пристрою та участь в проведенні випробувань макету ВККС в польових умовах реального полігону дії завад”, яка проводилась в ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління”, м. Київ. Шифр - “Впровадження КНЗ - ДП ЦНДІ НІУ”;

- “Нові методи розробки та модернізації спеціальних радіосистем”, яка проводилась в Науково-дослідному інституті радіосистем, м. Житомир. Шифр - “СТАРТ-Т”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційних досліджень є обґрунтування методики й моделей щодо технічних, програмно-апаратних рішень гарантування в складній ЕМО експлуатаційної точності навігаційних визначень роботи ККС.

Для вирішення загального наукового завдання та досягнення поставленої мети в роботі були розв'язані наступні часткові наукові завдання:

1. Проведено аналіз відповідності вимогам рівнів якості традиційного РНЗ ККС, а також дослідити існуючі принципи гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень.

2. Розроблено модель для просторово-часової обробки сигналів ККС.

3. Розроблено методику гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС.

4. Розроблено пропозиції на комплекс технічних засобів, що в умовах застосування в ККС ЦАР забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів.

5. Розроблено технічні рішення щодо розробки антен ККС, здатних формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад ДС.

6. Оцінено область ефективності запропонованого комплексу технічних рішень гарантування якості ККС.

Об'єктом дослідження є процес функціонування аналого-цифрових трактів ККС, що забезпечує диференційний режим роботи радіонавігаційної системи.

Предметом досліджень є методики, моделі, алгоритми та технічні засоби гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень коригуючого коду ККС для рухомих об'єктів в зоні дії штучних активних завад.

Методи дослідження. При оцінці точності навігаційних визначень використовувались методи теорії імовірності, математичної статистики, математичний апарат теорії матриць, диференційного зчислення, елементи теорії рядів, математичні методи векторного аналізу. При дослідженні ЦАР в ККС використовувались методи теорії побудови антен та теорії розповсюдження радіохвиль.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. Вперше розроблено модель для просторово-часової обробки сигналів ККС з ЦАР, що побудована на принципах інваріантності до умов апріорної невизначеності про частоту завади й сигналу для синтезу ІАР, які отримані відповідно нового розподілу функцій між аналоговими та цифровими трактами ККС шляхом покращення в ККС векторного відношення сигнал/завада згідно просторової параметризації функції ДС, що забезпечує точність надання коригуючого коду ККС.

2. Набула подальшого розвитку методика гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС за рахунок врахування не тільки геометричних умов розташування робочого сузір'я НКА, але й геометричного розташування джерел завад у просторі, параметрів завад й режимів застосування ЦАР в ККС у процесах навігаційних визначень.

3. Набули подальшого розвитку моделі оцінок похибок, що в умовах застосування в ККС нових принципів побудови ЦАР забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів вперше запропонованим комплексом технічних засобів за рахунок зменшення похибок, зумовлених дискретизацією вхідних сигналів по часу, нелінійними викривленнями, розширеннями ДС, зсувом рівносигнального напрямку , а також врахуванням впливу на роботу ККС індустріальних завад.

4. Розроблено та обґрунтовано нові принципи побудови антен ККС, які в залежності від наявності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі здатні формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад ДС, для наступних варіантів:

- при наявності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі;

- при відсутності апріорної інформації про положення НКА у просторі, але при наявності апріорної інформації про положення джерел завад у просторі;

- при наявності апріорної інформації про положення НКА у просторі, але при відсутності апріорної інформації про положення джерел завад у просторі;

- при відсутності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі.

5. Розроблена методика комплексної оцінки області ефективності запропонованих нових технічних рішень, що гарантує в складній ЕМО роботи ККС експлуатаційну точність навігаційних визначень коригуючого коду ККС для всіх AVL з СКВ менше, аніж 0,4 м від еталонного значення.

Практичне значення отриманих результатів. Впровадження розроблених в дисертації технічних, програмно-апаратних рішень та наукових положень в практиці розробки перспективних ККС дозволяє в складній ЕМО гарантувати експлуатаційну точність навігаційних визначень.

Отримані в дисертації наукові результати використані:

- в науково-дослідних організаціях при обґрунтуванні тактико-технічних вимог та розробці антени перспективних ККС;

- в науково-виробничих організаціях промисловості при проектуванні і розробці нових зразків засобів навігації та організації управління рухом;

- в органах військового управління оперативно-тактичного рівня при плануванні застосування угруповань військ (сил) в ході проведення заходів оперативної підготовки.

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові результати автором отримано особисто. У роботах, написаних у співавторстві, автору належить: в роботі [1-2] здобувачем досліджено існуючі принципи гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень контрольно-коригуючою станцією та розроблено модель для просторово-часової обробки сигналів контрольно-коригуючих станцій з цифровими антенними решітками; в роботі [3] дисертантом розроблено технічні рішення на антени контрольно-коригуючих станцій, що здатні формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад діаграму спрямованості; в роботі [4] здобувачем розроблено методику гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій; в роботах [5-11] автором запропоновано комплекс технічних засобів, що в умовах застосування в контрольно-коригуючих станціях цифрових антенних решіток забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались на 9-тій міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина та космос” 50-річчя космічної ери, (Дніпропетровськ, 2007р.), 32 науково-практичній міжвузівській конференції, присвяченій дню Житомирського державного технологічного університету, (Житомир, 2007 р.), ХV міжнародній науково - практичній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, (Харків, 2007р.) та науково-практичних семінарах кафедри бойового забезпечення авіації та застосування космічних систем Національної академії оборони України, (Київ, 2006, 2007 р.р.).

Публікації. Проведені дослідження відображені в 11 наукових роботах. Результати роботи опубліковані в 9 статтях періодичних наукових видань, що включені до переліку наукових фахових видань Вищої атестаційної комісії України. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані в п'яти статтях, а саме: Системи обробки інформації (Харківський університет Повітряних Сил) - 3 статті; Системи озброєння і військова техніка (Харківський університет Повітряних Сил) - 1 стаття; Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил - 1 стаття.

Отримано три патенти та два позитивних рішення на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Робота містить вступ, чотири розділи, висновки та додатки. Повний обсяг дисертації складає 194 сторінки, з них: 15 сторінок ілюстрацій, 8 сторінок використаних джерел (76 найменувань), 42 сторінки додатків. В додатках представлені додаткові матеріали, акти впровадження та патенти на винаходи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено її зв'язок з науковими програмами та планами, її новизна і практичне значення, сформульовані мета і завдання досліджень. Визначені об'єкт та предмет дослідження. Представлені публікації і апробації результатів досліджень та особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено аналіз відповідності вимогам замовників сучасних рівнів якості РНЗ ККС на традиційних схемах побудови, досліджені фактори, що погіршують точність навігаційних визначень коригуючого коду ККС. Визначені напрями гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС.

Основні теоретичні концепції і закономірності диференційних режимів мережевої супутникової радіонавігаційної системи були дослідженні Шебшаєвичем В.С., Гофман-Велленгофом Б., Ліхтенеггером Г., Коллінзом Д. При цьому вирішенню питання підвищення якості навігаційної інформації були присвячені роботи Бєляєвського Л.С., Шебшаєвича В.С., Скорика Є.Т. Для гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень найбільш розповсюдженим підходом є просторово-часова обробка сигналів. Теоретичні дослідження в цьому напрямку, проведені авторами, направлені, в основному, на використання спеціальних антен у вигляді багатоелементної фазованої антенної решітки або АР з діаграмоутворюючою схемою і алгоритмами просторової фільтрації. Запропоновані Скориком Є.Т. АР здатні автоматично визначати напрямок приходу завади та формувати нуль ДС в її напрямку. Оскільки зазначені види АР побудовані з використанням фазообертувачів, то формування ними стабільної по відношенню до частоти корисних сигналів та завад ДС є неможливим. Крім того, низька стійкість ДУС до зовнішніх впливів (самозбудження), що пов'язано зі складністю алгоритмів адаптації, ускладнює вирішення навігаційного завдання.

Аналіз літератури засвідчив, що в даному напрямку недостатньо проведено досліджень, в результаті яких антена ККС могла б формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад ДС. Визначено, що поки ще недостатньо повно розкрито питання врахування особливостей застосування в ККС ЦАР при вирішенні поточного навігаційного завдання. Таким чином, на сучасному етапі пошук технічних рішень для забезпечення підвищення завадозахисту ККС в складній ЕМО їх функціонування є актуальним.

Автором обґрунтовано, що існуючі принципи не гарантують експлуатаційну точність навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій, тому сформульована мета та здійснено постановку задач досліджень.

У другому розділі розроблено теоретичні засади та моделі просторово-часової обробки сигналів ККС з ЦАР, а також методика гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС; визначені особливості програмного управління режимами застосування ЦАР в ККС під час вирішення завдань навігаційних визначень.

В умовах складної ЕМО для забезпечення навігаційних визначень об'єктів, що розташовані у просторі, необхідно адаптивно формувати таку ДС, що має цілеспрямовані властивості, керується в двох площинах і здатна формувати керовані в просторі прийому сигналів провали голчастої форми.

Середньоквадратична помилка визначення ККС псевдовідстані за рахунок завад та власних шумів приймача визначається у відповідності:

, (1)

де - еквівалентна довжина С/А коду (?293 м);

- ширина смуги пропускання ланцюга стеження (?1Гц);

- відношення потужності корисного сигналу до суми потужностей завад та шумів.

, (2)

де - потужність корисного сигналу;

- потужність завад;

- потужність шумів.

Модель просторово-часової обробки сигналів ККС з ЦАР використовує максимальне відношення сигнал/завада (2) на виході схеми обробки, незалежність від частоти завади та сигналів від НКА ДС для оцінок, необхідних при вирішенні навігаційного завдання.

В загальному випадку потужність сигналу, що передається приймальною антеною в узгоджене навантаження розраховується як

, (3)

де S - щільність потоку потужності сигналу біля ККС;

- довжина хвилі сигналу;

- максимальне значення коефіцієнта підсилення приймальної антени;

- функція ДС приймальної антени в напрямку супутника або джерела завади.

В роботах попередників максимальне значення відношення сигнал/завада на виході схеми обробки забезпечувалось за рахунок формування провалів ДС в напрямку на заваду.

В роботі запропоновано за рахунок двох геометричних параметрів та функції підвищити векторне в умовах значних завад. При цьому значення функції в напрямку завади , а в напрямку корисного сигналу .

Автором дисертаційної роботи запропоновано покращити результуюче шляхом формування S - кількості ДС, що формують S максимумів на всі видимі супутники (збільшення потужності корисного сигналу) та P провалів в напрямку завад (зменшення потужності завад) (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Принцип покращення в ККС векторного відношення сигнал/завада згідно просторової параметризації функції

Для формування необхідної кількості ДС, що керуються в двох площинах і формують S променів на всі видимі НКА та P провалів в напрямку завад запропоновано застосувати плоску ЦАР (рис. 2), на базі якої синтезовано S ІАР (рис.3). Синтез однієї ІАР для гідроакустичних та радіолокаційних систем в своїх працях розглядав Коваленко М.В. Автором запропоновано застосувати променевий метод синтезу плоскої ІАР. При цьому передбачається, що кожна ІАР складається з антенних підрешіток (АПР), що фізично побудовані на базі однієї АР (рис. 4).

Діаграми спрямованості АПР задаються послідовністю

. (4)

Після кожної -ої АПР включені частотні фільтри з частотною характеристикою, для фільтрації сигналів з напрямків , де - номер нуля ДС ІАР.

Рис. 2. Плоска ЦАР з прямокутним розкривом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Запропонований принцип побудови S - кількості ІАР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Принцип ділення двопроменевої ІАР на АПР

ДС кожної ІАР, що побудована на основі плоскої АР (див. рис.2), описується визначником матриці

, (5)

де перший рядок складається із виразів, якими описуються ДС , а решта рядків із виразів для амплітудно частотної характеристики (АЧХ) базових фільтрів .

Діаграма спрямованості - ої АПР буде мати вигляд

 (6)

де - кількість елементів по осях відповідно;

- номер елемента по осях відповідно;

- амплітудний розподіл на відповідних елементах;

- швидкість розповсюдження радіохвиль;

- колова частота сигналу;

- радіус-вектор від початку координат до елемента; - одиничний вектор, що характеризує напрямок спостереження;

- одиничний вектор, що характеризує напрямок головного максимуму ДС АР.

Базові фільтри обрані з частотною характеристикою

(7)

де - вагові коефіцієнти (коефіцієнти підсилення базових фільтрів), їх обрано такими, що дорівнюватимуть .

Згідно властивостей визначника матриці (5) та з врахуванням (6-7) ДС ІАР у напрямку перетворюватиметься в нуль, оскільки визначник перетворюється в нуль при рівних або пропорційних рядках, що є інваріантними до частоти сигналу. Напрямки максимумів кожної ІАР вибираються у напрямку одного з видимих НКА.

Таким чином, на основі стійкого приймання радіосигналів в АР можливо зробити висновок, що модель просторово-часової обробки сигналів ККС з ЦАР може забезпечити максимальне відношення сигнал/завада на виході схеми обробки та незалежність від частоти завади та сигналів від НКА ДС.

В роботі обґрунтовано, що застосування в перспективних ККС ЦАР має ряд особливостей. Перш за все ця особливість полягає у необхідності здійснення пошуку сигналів від НКА, тобто здійснення пеленгації сигналів. Під час сканування і роботи в широкій смузі частот виникають небажані ефекти розширення, несиметричних викривлень парціальних ДС, впливу ДС антенного елемента, взаємного впливу елементів в АР. Останнє, в свою чергу, впливає на якість просторово-часової обробки сигналів від НКА та погіршує точність навігаційних визначень. Крім того, з'ясовано, що за рахунок дискретизації вхідних сигналів в часі виникають додаткові похибки формування ДС ЦАР. Автором запропоновано усувати додаткові похибки у формуванні ДС ККС з ЦАР, що виникають за рахунок дискретизації вхідних сигналів в часі, шляхом використання інтерполяційних алгоритмів формування ДС за рахунок нарощування порядку інтерполяційного фільтру та раціонального вибору виду його імпульсної перехідної характеристики .

Автор визначив, що точність навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС є функцією не лише геометричного фактору розташування НКА у просторі, але й функцією геометричного розташування джерел завад у просторі та параметрів завад

, (8)

де - число, яке характеризує геометричні умови спостереження ККС НКА (геометричний фактор);

- дисперсія визначення псевдовідстаней для ККС;

- відносна похибка визначення псевдовідстаней;

- слід кореляційної матриці;

- поправки до координат.

В дисертації розроблено методику гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС (рис. 5). На відміну від існуючих принципів, для гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС в методиці запропоновано поєднати забезпечення бачення максимальної кількості НКА та покращення точності визначення псевдовідстані в єдиний нероздільний процес. Методика враховує виявлені в роботі особливості застосування ЦАР в ККС для проведення навігаційних визначень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Структурна схема методики гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС

У третьому розділі обґрунтовані та запропоновані нові технічні рішення щодо забезпечення режимів застосування ЦАР в складній ЕМО роботи ККС.

Автором розроблено нові технічні рішення антен ККС здатних формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад ДС.

В залежності від наявності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі запропоновано наступні варіанти антен ККС:

- при наявності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі;

- при відсутності апріорної інформації про положення НКА у просторі, але при наявності апріорної інформації про положення джерел завад у просторі;

- при наявності апріорної інформації про положення НКА у просторі, але при відсутності апріорної інформації про положення джерел завад у просторі;

- при відсутності апріорної інформації про положення НКА та джерел завад у просторі.

Просторова обробка сигналів у всіх запропонованих схемах антени ККС базується на запропонованій в роботі моделі просторово-часової обробки сигналів.

Якщо на основі однієї плоскої АР побудувати S ІАР, то запропонована автором неадаптивна антена ККС буде мати вигляд, зображений на рис. 6.

Максимум ДС s-ої ІАР вибирається у напрямку одного із видимих НКА. При зміні положення НКА у просторі за командами пристрою аналізу та управління діаграмою спрямованості здійснюється зміна затримки на елементі, що відповідає напрямку сигналу, який приходить з головного максимуму s-ої ІАР. Окрім того, пристрій аналізу та управління діаграмою спрямованості здійснює розподіл ІАР по НКА. Таким чином здійснюється супровід НКА та забезпечення прийняття корисного сигналу максимальної потужності. З іншої сторони, у випадку наявності завад в ДУС змінюється затримка на елементі базового фільтру, що відповідає напрямку -го нуля.

В даному випадку кількість ІАР дорівнює максимально-можливій кількості видимих НКА (S), а кількість сформованих нулів К=L - 1.

Якщо на базі ІАР побудовано М сумарно-різницевих каналів або моноімпульсних пеленгаторів (МП), то адаптивна антена ККС буде мати вигляд, що зображено на рис.7. Кількість каналів ІАР виберемо по кількості каналів в ККС. Оскільки сумарно-різницевий канал утворений двома ІАР то S =2 М.

Діаграма спрямованості кожної пари ІАР по різницевому каналу забезпечує пошук одного із видимих НКА, а по сумарному - супровід та отримання сигналу від даного НКА. Один із каналів ККС разом з одним МП передбачений для пошуку завади.

Для рис.7 напрямки максимумів підрешіток, наприклад, в площині зміни кута и, будуть визначатись як

, (9)

де обирається, виходячи з умови перетинання ДС на рівні половинної потужності.

Таким чином, покращено комплекс технічних засобів, що в умовах застосування в ККС ЦАР забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів.

Для стабілізації пеленгаційної характеристики моноімпульсних пеленгаторів запропоновано на кутах сканування, відмінних від нормалі, забезпечити умови, що відповідають положенню ДС МП з АР по нормалі, тобто досягти значення напруги на виході різницевого каналу. Виконання цієї умови на різних кутах сканування запропоновано шляхом введення в різницевий канал МП додаткових комплексних множників у вигляді спеціальних базових фільтрів.

Для захисту ККС від впливу індустріальних завад в роботі запропоновано використати захисний екран (рис. 8). Проведені розрахунки захисного екрану.

Рис.8. Схема захисного екрану ККС

Встановлена результуюча ефективність екранування ККС. Вона може бути досягнута на рівні даних, що приведено в таблиці 1. Ці дані приведені в децибелах та відносяться до верхньої межі частоти піддіапазону. Відсутність в таблиці 1 цифрових значень для окремих пристроїв означає, що даний варіант не рекомендується або є нереальним.

Для існуючих засобів визначення завад запропоновано новий вимірювач кутових величин, що покращує точність визначення джерел завад у просторі.

Таблиця 1

Показники впливу технології з'єднання елементів та матеріалу на ефективність екранування ККС

Технологія з'єднання елементів та матеріал захисного екрану	Діапазон частот, МГц
	0,15 - 3	3 - 30	30 - 300	300 - 3000	3000 - 10000
Сталь листова: сварка безперервним швом сварка точкова, крок 50 мм листки, які скріплені болтами, крок 50 мм	100 70 75	100 50 60	100 - -	100 - -	100 - -
Жерсть (фальцем): безперервна пайка точкова пайка, крок 50 мм без пайки	100 100 100	100 80 100	100 60 60	100 50 50	100 40 40
Сітка металева: пайка, чарунка 1…1,5 мм	80	60	50	40	25
Фольга: склейка внакидку (шов перекрито)	100	80	80	70	60
Струмопровідна краска (R? =6 Ом)	70	40	30	40	40
Металізація: витрати металу 0,3 кг/м2	100	80	60	50	40

Результати моделювання якості просторової обробки сигналів при застосуванні запропонованого комплексу технічних засобів приведено на рис.9.

Як видно з рис.9, при застосуванні в ККС ЦАР в умовах дії завад, запропонований комплекс технічних засобів забезпечує покращення достовірності формування множини НКА приблизно в 1,5 разів.

У четвертому розділі оцінено область ефективності запропонованих антен ККС, які гарантують експлуатаційну точність навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці її роботи.

Автором проведено математичне моделювання антени ККС, в якій реалізовано запропонована модель для просторової обробки сигналів. Відстань між випромінювачами складала (див. рис.2)

,

де -довжина хвилі сигналу НКА.

Умови проведення комп'ютерних досліджень представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

Умови проведення моделювання комплексу запропонованих рішень

№ Рис.	№ умови	, град	, град	, град	, град	, град	, град	, ГГц	Кількість елементів АР
10	1	0	0	40	80	30	20	2	3х3
11	2	0	0	40	80	30	20	1	3х3
12	3	0	0	40	80	30	20	3	3х3
13	4	0	0	40	80	55	320	2	3х3
14	5	0	0	40	80	55	320	2	9х9
15	6	0	0	40	80	55	320	10	9х9
16	7	10	20	40	80	55	60	2	3х3
17	8	0	0	30	10	55	60	2	3х3

Проведено дослідження та отримані залежності точності визначення планових координат від різних умов дослідження, які представлені в табл.3.

Таблиця 3

Умови оцінювання точності навігаційних визначень

№ Рис	№ умови	HDOP (геометричний фактор)	rз, м (відстань до джерела завади)	Рз.випр, Вт (потужність заважаючого випромінення)	Рс, Вт (потужність сигналу від НКА біля поверхні Землі	, м (довжина хвилі корисного сигналу)	(значення ДС в напрямку завади)	(значення ДС в напрямку НКА)
18	1	1,5	10000	8	10-15,7	0,19	Змінне	1
19	2	1,5	Змінне	8	10-15,7	0,19	Змінне	1
20	3	1,5	10000	8	10-15,7	0,19	10-5	Змінне
21	4	Змінне	10000	8	10-15,7	0,19	10-5	1
22	5	1,5	Змінне	8	10-15,7	0,19	Змінне	1
23	6	1,5	10000	8	10-15,7	Змінне	10-5	1

Доведено ефективність запропонованих принципів та технічних рішень, що здатні формувати множини НКА для гарантування точності навігаційних визначень та адаптовану до частоти завади й сигналу діаграму спрямованості з керованими у просторі прийому сигналів провалами голчастої форми. Незначне збільшення кількості елементів АР призводить до необхідного збільшення глибини провалу нуля ДС та до його звуження. Положення провалу нуля ДС не залежить від частоти заважаючого та корисного сигналу, а залежить від положення джерела заважаючого сигналу у просторі. Максимуми результуючої ДС АР можливо регулювати шляхом адаптації напрямків максимумів ДС АПР.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз рівнів якості радіонавігаційного забезпечення контрольно-коригуючих станцій з традиційними схемами побудови засвідчив їх невідповідність вимогам замовників. Системний аналіз робіт попередників виявив необхідність в розробці антени контрольно-коригуючої станції з просторово-часовою обробкою сигналів, що забезпечить: формування множини навігаційних космічних апаратів, що гарантують точність навігаційних визначень; адаптовану до частоти завади й сигналу діаграму спрямованості; цілеспрямоване застосування компонентів цифрової антенної решітки.

2. Вперше розроблено та обґрунтовано модель, в якій запропоновано новий принцип розподілу функцій між аналоговими та цифровими трактами контрольно-коригуючої станції з цифровою антенною решіткою для просторово-часової обробки сигналів за рахунок покращення в контрольно-коригуючій станції векторного відношення сигнал/завада згідно просторової параметризації функції діаграми спрямованості та шляхом синтезу інваріантних антенних решіток, що в умовах апріорної невизначеності про частоту сигналів та роботі в широкій смузі частот забезпечує точність надання коригуючого коду контрольно-коригуючої станції.

3. Набула подальшого розвитку методика гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій за рахунок одночасного врахування не лише геометричних умов розташування робочого сузір'я навігаційних космічних апаратів, геометричного розташування джерел завад у просторі, а також параметрів завад й режимів застосування цифрових антенних решіток в контрольно-коригуючих станціях у процесах навігаційних визначень.

4. Набули подальшого розвитку моделі оцінок похибок, що за рахунок вперше запропонованого комплексу технічних засобів, які в умовах дії факторів електромагнітної обстановки та застосування в контрольно-коригуючих станціях нових принципів побудови цифрових антенних решіток, забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів. Запропоновані технічні рішення для просторово-часової обробки сигналів контрольно-коригуючими станціями забезпечують покращення достовірності формування множини навігаційних космічних апаратів приблизно в 1,5 разів.

5. Розроблено нові технічні рішення варіантів адаптивної та неадаптивної антен для розробки та реалізації аналогових та цифрових трактів антен контрольно-коригуючих станцій, здатних формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад діаграму спрямованості.

6. Оцінено область ефективності запропонованого комплексу технічних рішень, що гарантує експлуатаційну точність навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій з середньо-квадратичним відхиленням менше, аніж 0,4 м від еталонного значення.

7. Мета досліджень щодо обґрунтування методики й моделей щодо технічних, програмно-апаратних рішень гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій досягнута і всі поставлені часткові завдання вирішені повністю.

8. Перспективним напрямком подальших досліджень може бути пошук шляхів зменшення рівня внутрішніх шумів приймального тракту ККС, а також шумів квантування та дискретизації для збільшення максимальної глибини провалу діаграми спрямованості, що сформовано контрольно-коригуючою станцією в напрямку завади.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Соболенко С.О. Метод підвищення точності навігаційних визначень за допомогою контрольно-коригуючих станцій з інваріантною антенною решіткою в складній електромагнітній обстановці / С.О. Соболенко, В.О.Гуменюк, В.М. Романчук // Збірник наукових праць “Системи обробки інформації”. - 2008. - №3 (70). - С. 129-132.

2. Організація балістико-навігаційного забезпечення управління космічними апаратами: підручник / [О. Б. Захаров, В. О. Гуменюк, Р. М. Залужний та ін.]; під ред. М. С. Сівова. - К.: НАОУ, 2007. - 512 с.

3. Позитивне рішення на заявку. Україна. Антена з інваріантною до частоти сигналу та завади діаграмою спрямованості для завадозахисту контрольно-коригуючої станції: патент. Україна / Гуменюк В.О., Пашков Д.П., Соболенко С.О. - u 2008 14191; заявл. 09.12.2008, Вх. № 514503.

4. Гуменюк В.О. Метод підвищення точності навігаційних визначень при застосуванні цифрових антенних решіток з врахуванням геометричного фактору та складної електромагнітної обстановки / В.О. Гуменюк // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. - 2007. - №3(15). - С. 59-62.

5. Гуменюк В.О. Метод підвищення точності визначення місцеположення літальних апаратів за допомогою контрольно-корегуючих станцій в складній електромагнітній обстановці / В.О. Гуменюк, Д.П. Пашков, С.Д. Ставицький // Системи озброєння і військова техніка. - 2007. - №2(10). - С. 55-58.

6. Гуменюк В.О. Просторове розділення зон роботи радіотехнічних систем управління космічними апаратами від зон дій радіоелектронних засобів, що заважають / В.О. Гуменюк, О.А. Моргун, К.С. Козелкова, С.Д. Ставицький // Збірник наукових праць “Системи обробки інформації”. - 2007. - №2 (60). - С. 12-15.

7. Козелков С.В. Метод забезпечення електромагнітної сумісності радіотехнічних систем управління космічними апаратами в динамічній електромагнітній обстановці / С.В. Козелков, Д.П. Пашков, В.О. Гуменюк // Збірник наукових праць “Системи обробки інформації”. - 2007. - №3(61). - С. 39-41.

8. Позитивне рішення на заявку. Україна. Спосіб стабілізації пеленгаційної характеристики: патент. Україна / Соболенко С.О., Коваленко М.В., Гуменюк В.О. - u 2008 14697; заявл. 22.12.2008; Вх. № 518536.

9. Пат. 24681. Україна. Захисне укриття радіоелектронних засобів: пат. 24681. Україна / П'ясковський Д.В., Водоп'ян С.В., Гуменюк В.О., Козелкова К.С. (Національна академія оборони України). - u 2007 02237; заявл. 01.03.2007; опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10.

10. Пат. 24961. Україна. Захисне укриття радіоелектронних засобів: пат. 24961. Україна / Слєпов Л.І., Гуменюк В.О. (Національна академія оборони України). - u 2007 01160; заявл. 25.02.2007; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11.

11. Пат. 27077. Україна. Вимірювач кутових величин: пат. 27077. Україна / П'ясковський Д.В., Водоп'ян С.В, Гуменюк В.О., Піонтківський П.М., Піскун О.М. (Національна академія оборони України). - u 2007 07347; заявл. 02.07.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 16.

АНОТАЦІЯ

контрольний коригуючий станція радіонавігаційний

Гуменюк В.О. Гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній електромагнітній обстановці роботи контрольно-коригуючих станцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.13 - навігація та управління рухом. ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління”, Київ, 2009.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню завадозахисту контрольно-коригуючих станцій для гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень шляхом використання синтезованої інваріантної антенної решітки контрольно-коригуючої станції, що працює в складній електромагнітній обстановці.

Вперше розроблено модель для просторово-часової обробки сигналів ККС з ЦАР. Набула подальшого розвитку методика гарантування експлуатаційної точності навігаційних визначень в складній ЕМО роботи ККС. Покращено комплекс технічних засобів, що в умовах застосування в контрольно-коригуючих станціях цифрової антенної решітки забезпечують якість просторово-часової обробки сигналів. Розроблено нові технічні рішення антен ККС здатних формувати стабільну по відношенню до частоти корисних сигналів та завад діаграму спрямованості. Оцінено область ефективності запропонованого комплексу технічних рішень.

Ключові слова: навігаційні системи, контрольно-коригуючі станції, завадозахист, інваріантна антенна решітка, точність навігаційних визначень.

АННОТАЦИЯ

Гуменюк В.А. Гарантирование эксплуатационной точности навигационных определений в сложной электромагнитной обстановке роботы контрольно-корректирующих станций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.13 - навигация и управление движением. ГП “Центральный научно-исследовательский институт навигации и управления”, Киев, 2009.

Диссертация посвящена обоснованию помехозащищенности контрольно-корректирующих станций для гарантирования эксплуатационной точности навигационных определений путем использования синтезированной инвариантной антенной решетки контрольно-корректирующих станций, которая работает в сложной электромагнитной обстановке.

Показано, что уровни качества радионавигационного обеспечения с традиционными схемами построения не соответствуют требованиям заказчиков. Определено, что направление гарантирования эксплуатационной точности навигационных определений контрольно-корректирующими станциями за счет мощности излучения навигационными космическими аппаратами исчерпано. Поэтому контрольно-корректирующие станции не имеют другой возможности улучшить свою помехозащищенность, кроме, как за счет пространственной обработки сигналов ее антенной. Системный анализ научных трудов предшественников в данной отрасли показал, что пока недостаточно полно раскрыт вопрос формирования антенной контрольно-корректирующей станции стабильной по отношению к частоте полезного сигнала и помехи диаграммы направленности. Кроме того, не достаточно рассмотрены вопросы учета особенностей применения цифровых антенных решеток в контрольно-корректирующих станциях в ходе навигационных определений.

Впервые разработана модель для пространственно-временной обработки сигналов контрольно-корректирующих станций с цифровой антенной решеткой.

Разработана методика гарантирования эксплуатационной точности навигационных определений в сложной электромагнитной обстановке работы контрольно-корректирующих станций.

Улучшен комплекс технических средств, которые в условиях применения в контрольно-корректирующих станциях цифровой антенной решетки обеспечивают качество пространственно-временной обработки сигналов. Разработаны технические решения антенн контрольно-корректирующих станций, способных формировать стабильную по отношению к частоте полезных сигналов и помех диаграмму направленности.

Оценена область эффективности разработанных антенн контрольно-корректирующих станций.

Ключевые слова: навигационные системы, контрольно-корректирующие станции, помехозащищенность, инвариантная антенная решетка, точность навигационных определений.

ABSTRACT

Gumenyuk V.O. Guarantee of the exploitation accuracy of navigation measuring by controlling and correcting stations working in complicated electro-magnetic situation.

Thesis for candidate's degree in technical sciences (speciality 05.22.13 - navigation and traffic control). - Central Scientific Research Institute of Navigation and Control, Kiev, 2009.

The thesis is devoted to the substantiation of the protection against interferences of the controlling and correcting stations for guarantee of the exploitation accuracy of the navigation measuring by using synthesized invariable antenna grating which works in complicated electro-magnetic situation.

The method of guarantee of the exploitation accuracy of navigation measuring by controlling and correcting stations working in complicated electro-magnetic situation has been worked out. The model of the spatial processing of signals of the controlling and correcting stations with digital antenna grating has been worked out. The complex of technical means being used in controlling and correcting stations of the digital antenna grating and providing quality of the spatial processing of signals has been improved. The new lay-outs of the antennas of the controlling and correcting stations which can form stable direction diagram in respect of the frequency of the useful signals and interferences has been worked out. The area of the efficiency of the proposed antennas of the controlling and correcting stations has been estimated.

Key words: navigation systems, controlling and correcting stations, protection against interferences, invariable antenna grating, accuracy of the navigation measuring.

Размещено на Allbest.ru

...