Совместная обработка информации систем спутниковой и импульсно-фазовой радионавигации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совместная обработка информации систем спутниковой и импульсно-фазовой радионавигации

В.Б. Ильин

(ФГУП «Летно-исследовательский институт

им. М.М. Громова», г. Жуковский)

Рассмотрены методы совместной обработки информации систем спутниковой и импульсно-фазовой радионавигации. Проведена отработка этих методов по материалам летных испытаний в режиме послеполетной обработки.

Показана возможность получения непрерывной и достоверной траектории движения летательного аппарата при совместной обработке информации систем спутниковой и импульсно-фазовой радионавигации. Полученные таким образом данные движения летательного аппарата могут быть использованы для получения действительных траекторных параметров при проведении летных испытаний бортового навигационного оборудования самолетов.

Введение

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС) дальнего действия наземного базирования «Чайка» и «Loran-С» и спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS показывает, что ни одна из них в отдельности не способна удовлетворить современные требования потребителей по доступности и непрерывности навигационного обеспечения.

В настоящее время общепризнанно СНС нуждаются в дополнениях.

Проведенные в России и за рубежом исследования показывают, что ИФРНС может стать наиболее эффективным дополнением СНС.

Важными преимуществами ИФРНС «Чайка» (Россия) и «Loran-С» (США) являются:

- высокая помехоустойчивость за счет большой энергетики сигналов;

- надежное определение местоположения в городских условиях и лесистой местности вследствие существенно более низких, чем в СНС, рабочих частот (100 кГц - ИФРНС);

- возможность передачи оперативной информации (дифференциальных поправок и информации о целостности СНС, команд управления, штормовых предупреждений и других важных сообщений) без значимого ущерба для навигации и на значительные расстояния (до 1000 км от опорных станций - в ИФРНС);

- автономность управления (на уровне одного государства);

- сравнительно низкие эксплуатационные расходы.

Дополнительным достоинством ИФРНС является развитая инфраструктура систем данного класса - в настоящее время на территории России и СНГ функционирует 14 станций, кроме этого на территории России развернуты и функционируют более 20 мобильных опорных станций ИФРНС, объединенные в 7 цепей.

В связи с этим были проведены исследования методов совместной обработки информации СНС и ИФРНС. В настоящей работе представлены результаты проведенных исследований.

Методы совместной обработки информации СНС и ИФРНС

Совместную обработку информации ИФРНС и СНС можно проводить следующими способами:

– непрерывная коррекция информации ИФРНС по данным СНС;

– восстановление информации СНС по данным ИФРНС;

– определение поправок к среднему значению скорости распространения радиоволн для рабочей зоны цепи ИФРНС.

Непрерывная коррекция информации ИФРНС по данным СНС заключается в коррекции измеренных в ИФРНС радионавигационных параметров (РНП) по РНП, рассчитанным по координатам приемника СНС. Радионавигационным параметром в ИФРНС называется разность между временами прихода сигнала от ведущей и ведомой станций. Координаты приемника СНС пересчитываются в РНП путем решения обратной геодезической задачи, и затем по ним определяются поправки к измеренным в ИФРНС РНП. С помощью определенных поправок производиться коррекция РНП ИФРНС. По уточненным РНП рассчитываются географические координаты потребителя путем решения прямой геодезической задачи. У полученной таким образом траектории движения ЛА повышается доступность и непрерывность, так как производится контроль достоверности по рассчитанным поправкам, отбраковка явных выбросов и восстановление информации в те моменты времени, когда произошел выброс. В случае единичных пропаданий информации от СНС производиться ее восстановление по данным ИФРНС. При проведении такого рода коррекции, точностные характеристики полученной траектории движения ЛА соответствуют характеристикам приемника СНС.

Восстановление информации СНС по данным ИФРНС производиться на участках полета, на которых произошло пропадание информации СНС при уменьшении числа видимых навигационных спутников (НС) менее 4 из-за выполнения летательным аппаратом (ЛА) маневра или ослабления сигналов НС вследствие естественных или искусственных помех. Восстановление информации производится путем определения поправки и скорости ее изменения по РНП ИФРНС на момент времени, когда информация СНС была доступна. Затем на участке времени пропадания информации СНС с учетом поправки и скорости ее изменения по РНП ИФРНС рассчитываются координаты местоположения ЛА. Точностные характеристики траектории движения ЛА на этих участках полета будет зависеть от точностных характеристик РНП ИФРНС. Для повышения точности можно применять процедуры сглаживания РНП ИФРНС.

Определение поправок к среднему значению скорости распространения радиоволн является самым простым способом коррекции информации ИФРНС. Координаты ЛА на стоянке по данным СНС пересчитываются в дальности до наземных станций ИФРНС. Затем по разностям дальностей D по парам станций и измеренным РНП ИФРНС N определяют текущую скорость распространения радиоволн по каждой паре станций: с_тек = D/N. По текущей скорости и средней скорости распространения радиоволн определяют поправки для пар станций: с = с_тек - с. Данный способ позволяет уменьшить постоянную составляющую погрешности определения координат в ИФРНС, но компенсации случайной (шумовой) составляющей не происходит. Данный способ привлекателен тем, что в аппаратуре ИФРНС обычно имеется возможность ввода и учета этих поправок в реальном времени во время полета. Вычислив поправки к среднему значению скорости распространения радиоволн перед полетом и введя их в аппаратуру, можно определять текущие координаты ЛА в реальном времени с повышенной точностью. Точностные характеристики определения координат по данному способу будут зависеть от случайной (шумовой) составляющей в измерениях РНП ИФРНС, а также от наличия систематической составляющей, связанной с запаздыванием в выдаче информации.

Условия проведения исследований

При проведении исследований использовалась аппаратура А-737И, работающая по сигналам СНС и ИФРНС.

Канал СНС аппаратуры А-737И обеспечивает одновременный прием сигналов до 12 НС по кодам стандартной точности СНС ГЛОНАСС и С/А GPS, принимает сигналы их НС только в диапазоне частот L1.

Канал ИФРНС аппаратуры А-737И обеспечивает одновременный прием сигналов до 5 станций и определяет навигационные параметры ЛА в рабочей зоне цепи ИФРНС.

Для эталонирования параметров траекторного движения ЛА использовалась навигационная плата GPS/ГЛОНАСС GGD-112T. Эталонная траектория формировалась по данным платы GGD-112T, полученным в результате дифференциального режима в простобработке по фазовым измерениям с использованием программного комплекса «GrafNav». Погрешности GGD-112T в определении координат и высоты в дифференциальном режиме по фазовым измерениям не превышают 0,7 м (2у). Программный комплекс «GrafNav» определяет параметры траекторного движения ЛА по фазовым измерениям с использованием метода Float Kinematic.

При проведении исследований канал ИФРНС аппаратуры А-737И был настроен на работу по Европейской цепи РСДН-3/10 и принимал сигналы от тройки станций Петрозаводск - Карачев - Сызрань. Канал СНС аппаратуры А-737И работал по сигналам НС GPS.

При проведении исследований полеты выполнялся в зоне испытательных полетов аэродрома «Раменское» на удалении до 210 км, на высотах до Н = 10000 м, со скоростями до Wпут = 850 км/час, при значениях истинного курса _ист= 0 360, углов крена = ± 30, углов тангажа = -10 +13, вертикальной скорости Vy= -12 +15 м/с.

Отработка методов совместной обработки информации СНС и ИФРНС на материалах летных испытаний

Непрерывная коррекция информации ИФРНС по данным СНС

Для реализации непрерывной коррекции использовалась информация каналов СНС и ИФРНС аппаратуры А-737И. Координаты канала СНС пересчитывались в РНП, по которым определялись поправки к РНП для канала ИФРНС. Затем по скорректированным РНП рассчитывались координаты движения ЛА. При расчете поправок производился контроль выбросов по координатам СНС из условия, что они не могут изменяться больше чем на 80 м за секунду. В случае обнаружения выброса поправка в этот момент заменялась рассчитанной в предыдущий момент времени. В случае единичного отсутствия информации от канала СНС использовалась поправка, рассчитанная также на предыдущий момент времени.

На рисунке 1 представлены графики погрешностей по исходным координатам канала СНС и по координатам после проведения непрерывной коррекции РНП канала ИФРНС на участке полета. На рисунке 2 представлены графики погрешностей в увеличенном масштабе, на которых видна отбраковка выброса и восстановление информации при единичном пропадании информации от СНС.

Из рисунков видно, что данный метод совместной обработки информации СНС и ИФРНС позволяет определять достоверные и непрерывные параметры траекторного движения ЛА. При этом точность определения координат не ухудшается. Качество определения траектории главным образом зависит от точностных характеристик корректора - приемника СНС, а характеристики приемника ИФРНС влияния практически не оказывают. Таким образом, при использовании в качестве корректора РНП ИФРНС дифференциального режима работы СНС можно определять достоверную и непрерывную эталонную траекторию движения самолета при проведении летных испытаний.

Рис. 1 - Погрешности по координатам канала СНС аппаратуры А-737И (dFi_СНС, dLa_ СНС) и по координатам после проведения непрерывной коррекции РНП канала ИФРНС (dB_ИФРНС, dL_ИФРНС)

Рис. 2 - Иллюстрация отбраковки выброса и восстановления информации

Восстановление информации СНС по данным ИФРНС

спутниковый импульсный фазовый радионавигация

При отработке этого метода производилась имитация пропадания информации от канала СНС аппаратуры А-737И. Восстановление информации производилось по РНП канала ИФРНС с использованием поправок и скорости их изменения, определенным на момент времени, когда информация СНС была доступна.

Также было произведено сглаживание РНП ИФРНС для уменьшения ее случайной (шумовой) составляющей. Для сглаживания применялся простой в реализации метод среднего окна, сущность которого заключается в том, что каждая точка заменяется арифметическим средним некоторого количества точек. Это количество точек и есть размер окна, а заменяемая точка является средней точкой окна.

На рисунке 3 представлен график погрешностей исходных координат канала СНС, координат после восстановления и координат после восстановления с применением процедуры сглаживания РНП при имитации пропадания информации от канала СНС на 10 сек.

Как видно из рисунка целесообразно применять восстановление информации на небольших промежутках времени 10 15 сек. Измеряемые каналом ИФРНС аппаратуры А-737И РНП имеют большую шумовую составляющую, ее амплитуда составляет 40 м. При проведении процедуры сглаживания можно уменьшить шумовую составляющую, но сглаженный РНП сохраняет быстрый закон изменения. Из-за этого погрешность определения траекторных параметров увеличивается на больших участках пропадания информации СНС.

По проведенным исследования максимальная погрешность при восстановлении информации СНС с применением процедуры сглаживания на участках времени 30 сек составила 46 метров.

Рис. 3 - Погрешности по координатам канала СНС (dB_СНС, dL_СНС), после восстановления информации (dB_ИФРНС, dL_ИФРНС) и восстановления со сглаживанием РНП (dB_ИФРНС*, dL_ИФРНС*)

Таким образом, данный метод восстановления информации СНС по данным ИФРНС наиболее предпочтителен для участков времени 10 15 сек, при этом максимальная погрешность по координатам составит 25 метров.

Определение поправок к среднему значению скорости распространения радиоволн

По данным канала СНС аппаратуры А-737И производится расчет поправок к скорости распространения радиоволн для пар станций Карачев - Петрозаводск и Карачев - Сызрань Европейкой цепи РСДН-3/10. Затем с учетом этих поправок вычисляется траектория движения ЛА. Для Европейской цепи РСДН-3/10 среднее значение скорости распространения радиоволн принято равным 299320 км/с.

На рисунке 4 показаны исходные погрешности в определении координат по данным канала ИФРНС аппаратуры А-737И. На рисунке 5 представлены графики погрешностей в определении координат по данным канала ИФРНС с учетом поправки на скорость распространения радиоволн.

Для канала ИФРНС аппаратуры А-737И поправки составили: -206,48 км/с для пары станций Карачев - Петрозаводск и 248,3 км/с для пары станций Карачев - Сызрань.

Данный способ совместной обработки позволяет компенсировать постоянную составляющую погрешности определения координат по данным аппаратуры ИФРНС, но шумовая составляющая погрешностей остается без изменений.

Практически вся аппаратура ИФРНС позволяет ввести данные о поправках к скорости распространения радиоволн и с их учетом определять более точные координаты местоположения ЛА в реальном времени.

Рис. 4 - Погрешности в определении координат по данным канала ИФРНС аппаратуры А-737И

Рис. 13 - Погрешности в определении координат по данным аппаратуры ИФРНС А-737И с учетом поправки на скорость распространения радиоволн

Определить поправку к скорости распространения радиоволн можно установив перед полетом ЛА на стоянке, имеющий точку с известными географическим координатами, и провести аналогичные расчеты. Таким образом, для этого метода главным условием является наличие точных координат местоположения ЛА.

Данный способ является предпочтительным для уточнения координат местоположения ЛА в реальном времени, так как прост в реализации.

Заключение

Проведенные исследования показали, что совместная обработка информации СНС и ИФРНС позволяет повысить достоверность и непрерывность определения параметров траекторного движения ЛА. Полученные таким образом данные движения летательного аппарата могут быть использованы для получения действительных траекторных параметров при проведении летных испытаний бортового навигационного оборудования самолетов, а также в целях обеспечения точного самолетовождения.

Метод непрерывной коррекции информации ИФРНС по данным СНС позволяет определить достоверные и непрерывные параметры траекторного движения ЛА; точность определения траектории главным образом зависит от точностных характеристик корректора - приемника СНС, а по информации ИФРНС производится отбраковка грубых выбросов и восстановление единичных пропаданий информации СНС. При использовании метода восстановления информации СНС по данным ИФРНС можно восстановить траекторию движения ЛА по РНП ИФРНС с использованием поправок и скорости их изменения, определенным на момент времени, когда информация СНС была доступна, при этом для участков времени 10 15 сек максимальная погрешность по координатам составит 25 метров. Метод определения поправок к среднему значению скорости распространения радиоволн позволяет компенсировать постоянную составляющую погрешности определения координат по данным ИФРНС; является предпочтительным для уточнения координат местоположения ЛА в реальном времени, так как вся аппаратура ИФРНС позволяет определять более точные координаты местоположения ЛА в реальном времени при вводе этих поправок.

Размещено на Allbest.ru