Актуальность работы. К современной бортовой радионавигационной аппаратуре воздушных судов (ВС) предъявляются высокие требования по оперативности выдачи результатов навигационных определений — потребитель должен получать высокоточное навигационно-временное обеспечение непрерывно, обработка измерений должна выполняться в реальном масштабе времени.
Перспективным направлением в гражданской авиации является использование аппаратуры потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GPS, поскольку ее использование на ВС позволяет сократить время маневрирования и уменьшить зависимость от работы наземных радиотехнических средств посадки, что особенно важно для аэродромов, недостаточно оборудованных радиотехническими средствами навигации и посадки.
Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую в принципе решать задачи навигации на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается тем, что орбитальная группировка навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью. Общедоступность СРНС GPS становится «двоякой» после заявления представителей Министерства обороны США о возможности намеренного «загрубления» данных системы над тем или иным регионом, в зависимости от внешнеполитической обстановки. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с полностью развернутой системой GPS, а также, и с другими навигационными средствами, в частности, радионавигационными средствами с наземным базированием опорных станций и с инерциальными навигационными системами.
Согласно Постановлению Правительства РФ от 9 июня 2005 г. N 365 «Об оснащении космических, транспортных средств, а также средств, предназначенных для выполнения геодезических и кадастровых работ, аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS» — в целях повышения эффективности управления воздушным движением, повышения уровня безопасности перевозок пассажиров, специальных и опасных грузов, оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS подлежат воздушные суда государственной и гражданской авиации [24].
В августе 2007 г. впервые в истории отечественной гражданской авиации была произведена установка бортового оборудования для работы по сигналам СРНС ГЛОНАСС. Первым ВС, оснащенным таким оборудованием, стал самолет Ту-154М с бортовым номером RA-85 740 авиакомпании «Атлант-Союз» [23].
Рост интенсивности воздушного движения делает все более актуальным вопрос о точности соблюдения ВС маршрута и выделенных воздушных коридоров, что во многом определяет уровень безопасности полетов. Возрастающие требования к безопасности полетов на ВС заставляют пересматривать концепции построения навигационной аппаратуры и оценки ее точностных характеристик [10].
Опыт эксплуатации АЛ СРНС показывает, что на точность навигационно-временных определений (НЕЮ) влияют факторы, которые сложно учесть во время лабораторных исследованиях и летных испытаний. Это приводит к тому, что фактическая точность навигационной аппаратуры во время ее эксплуатации оказывается хуже заявленной производителем точности.
Лабораторные испытания позволяют оценить точность НЕЮ, как правило, только в статике, а летные испытаний не позволяют оценить все возможные ситуации, которые могут возникать во время эксплуатации АП СРНС в виду ограниченного числа полетов и больших финансовых затрат. Также летные и лабораторные испытания не позволяют учесть воздействие всех факторов, оказывающих существенное влияние на точность НЕЮ с использованием АП СРНС.
В диссертации проведены исследования по совершенствованию методов полунатурного моделирования с целью повышения достоверности оценки точности НЕЮ с использованием АП СРНС, для обеспечения полетов ВС в различных условиях эксплуатации, что определяет актуальность данной научной работы.
Целью диссертационной работы является разработка методов повышения достоверности оценки точности навигационных определений, производимых на ВС по спутниковым системам навигации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
— анализ эффективности существующих методов оценки точности навигационных определений на ВС с использованием АП СРНС;
— разработка математической модели, возмущающих воздействий, влияющих на точностные характеристики АП СРНС;
— оценка точностных характеристик АП СРНС и ее функциональных дополнений при воздействии возмущающих факторов.
Объектом исследования является авиационная АП СРНС.
Предметом исследования являются критерии и методы оценки точности АП СРНС в условиях различных возмущающих воздействий, оказывающих влияние на ее точностные характеристики.
Методы исследований основаны на применении системного анализа, прикладных методов теории вероятностей и случайных процессов, а также методов математического и полунатурного моделирования.
Научная значимость диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые дана оценка погрешности навигационных определений на ВС с использованием АП СРНС, вызванной конечной разрядностью сетки вычислительных средств моделирующего комплексавведены в состав математического обеспечении моделирующего комплекса модели многолучевого распространения навигационных сигналов (НС) и затенения навигационных космических аппаратов (НКА) рабочего созвездия элементами конструкции ВС, что позволяет оценивать точностные характеристики АП СРНС на наиболее ответственных этапах полета ВСучтено воздействие на АП СРНС межсистемных помех, обусловленных внеполосным излучением от других радиотехнических средств.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что с внедрение ее результатов позволяет:
— произвести оценку реальных точностных характеристик АП СРНС на этапе ввода в эксплуатацию;
— произвести оценку улучшения точности навигационных определений по СРНС при использовании функциональных дополнений;
— уменьшить объем летных испытаний АП СРНС.
Достоверность результатов исследований подтверждается физической обоснованностью математических моделей мешающих воздействий на АП СРНС и ее функциональные дополнения и корректным использованием адекватного решаемым задачам математического аппарата, а также качественным совпадением полученных результатов с имеющимися данными натурных испытаний.
На защиту выносятся:
— результаты сравнительного анализа эффективности различных методов оценки точности навигационных определений АП СРНС;
— математические модели возмущающих факторов, воздействующих на АП СРНС и ее функциональные дополнения;
— алгоритмы формирования возмущающих воздействий, влияющих на точностные характеристики АП СРНС и оценка этих характеристик методами полунатурного моделирования.
Внедрение результатов. Основные теоретические положения, разработки и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы, реализованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе МГТУ ГА и ОАО «МКБ «Компас», ФГУП «ГосНИИАС».
Апробация результатов. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (М., 2006 г., 2008 г.) и «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (РНТОРЭС, М., 2007 г., 2008 г.).
Публикация результатов. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 5-ти статьях и 4-х тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Диссертация содержит 129 страниц текста, 56 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 41 наименования.
3.3. Основные результаты и выводы.
Использование СРНС ГЛОНАСС в стандартном режиме удовлетворяет требованиям широкого круга потребителей. В то же время для ряда приложений, необходимы более высокие точности НВО и достоверности координатного и навигационно-временного обеспечения. Они могут быть получены при использовании дифференциального режима работы СРНС.
1. Предложенная модель ЛПДС позволяет оценивать точность НВО АП СРНС в дифференциальном режиме.
2. Результаты полунатурного моделирования показали, что при полностью развернутой ОГ СРНС ГЛОНАСС, точностные характеристики АП СРНС в дифференциальном режиме позволяют обеспечить выполнения требований для обеспечения захода на посадку и I категории ИКАО.
3. Размещение ПС в аэродромной зоне, в условиях местности со сложным рельефом, во время решения навигационной задачи при совместном использовании СРНС и ПС позволяет улучшить геометрический фактор и повысить точность навигационных определений при категорированной посадке ВС. Показано, что во время совершения маневров сигналы ПС создают избыточность навигационных данных, необходимую для поддержания заданной точности навигационных определений в условиях затенения навигационной антенны элементами конструкции ВС и могут обеспечить работу алгоритма автономного контроля целостности системы (RAIM).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация направлена на решение актуальной научно-технической задачи повышения достоверности оценки точности навигационных определений путем совершенствования методов полунатурного моделирования, используемых на стадиях разработки, испытаний и ввода в эксплуатацию аппаратуры потребителей (АП) СРНС.
В работе были получены следующие основные результаты:
1. Сравнительный анализ методов оценки точности навигационных определений с использованием АП СРНС показал, что метод полунатурного моделирования позволяет наиболее полно учесть влияние основных факторов на точностные характеристики АП СРНС.
2. Предложена модель, позволяющая учитывать неточности эфемиридного обеспечения СРНС ГЛОНАСС, влияние межсистемных помех за счет внеполосного излучения и многолучевое распространение навигационных сигналов (НС) на точностные характеристики АП СРНС.
3. На основе предложенной модели получены результаты по оценке точности формирования эфемеридного обеспечения СРНС ГЛОНАСС и ее вклад в общую погрешность навигационно-временных определений (НВО).
4. Разработана математическая модель для учета влияния диаграммы направленности приемной антенны на прием НС во время совершения маневров воздушным судном (ВС).
5. На основании разработанной модели дана оценка влияния на точностные характеристики АП СРНС затенения элементами конструкции ВС приемной антенны во время совершения маневров, представлены результаты по оценке влияния на точность НВО потери части НС, обусловленной маневрированием ВС, воздействием помех и многолучевости.
6. Разработана модель, позволяющая оценивать точность навигационной аппаратуры в условиях помех и других возмущающих воздействий при работе в дифференциальном режиме и с использованием сигналов псевдоспутников.
7. На базе предложенной модели были получены результаты по оценке точностных характеристик АП СРНС с использованием сигналов псевдоспутников в условиях неполного рабочего созвездия навигационных космических аппаратов (НКА).
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют:
1. Повысить достоверность оценки точности НВО с использованием АП СРНС при решении задач, требующих повышенной точности навигационных определений.
2. Оценивать степень помехоустойчивости АП СРНС, обеспечивающей полеты ВС, с учетом влияния динамики полета, воздействия возмущающих факторов и пространственно-избирательных свойств приемной антенны.
3. Оценивать точность навигационно-временных определений с учетом полноты орбитальной группировки НКА СРНС.
4. Сократить объем летных испытаний без существенной потери качества полученных результатов.
