CC BY
198
УДК 621.396.96
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНОГО КОЛИЧЕСТВА СПУТНИКОВ
РАБОЧЕГО СОЗВЕЗДИЯ GPS
О.Н. СКРЫПНИК, Т.Л. СОЛОВЬЕВА
На основе данных натурного эксперимента и результатов, полученных математическим моделированием, исследована точность навигационных определений при работе по неполному созвездию спутников GPS. Рассматриваются особенности решения навигационной задачи в этих условиях приемником GPS и комплексной системой навигации, реализующей алгоритм расширенного фильтра Калмана. Определены условия, обеспечивающие высокую точность оценки координат.
Ключевые слова: моделирование, навигация, высокая точность.
В условиях повышения плотности и интенсивности воздушного движения возрастают требования к точности навигационного обеспечения различных этапов полета воздушных судов (ВС). Решение данной проблемы обеспечивается внедрением системы автоматического зависимого наблюдения (АЗН), базирующейся на широком использовании спутниковых систем навигации (ССН) типа GPS и ГЛОНАСС [1].
Однако практика использования ССН показывает их недостаточную целостность, подверженность сбоям в приеме сигналов, а также возможность затенения сигналов спутников в условиях полетов в горной местности, что делает проблематичной работу по созвездию спутников необходимого состава и конфигурации и соответственно решение навигационной задачи с требуемым качеством.
С целью оценки влияния данных факторов на работу приемника GPS был проведен натурный эксперимент с авиационным приемником GARMIN GPS Pilot III, который располагался в точке с координатами 52°16/32.8// с.ш., 104°17/22.2/’’в.д. При этом имело место затенение принимаемых сигналов близко расположенными зданиями. Наблюдения проводились на интервале времени 2 часа (с 4.30 до 6.30 московского времени) с дискретностью 1 минуты в период с 26.11.2011 г. по 5.12.2011 г. На основе полученных измерений путем статистической обработки были получены оценки точности определения горизонтальных координат и высоты, а также значения геометрического фактора при решении навигационной задачи приемником. Результаты экспериментов представлены на рис. 1-4.
Рис. 1. Изменение геометрического фактора на интервале наблюдения
Как следует из полученных результатов, в условиях затенения принимаемых от спутников сигналов наблюдаются интервалы времени, когда геометрический фактор системы значительно ухудшается, а мгновенные значения ошибок определения координат даже для неподвижного объекта составляют десятки и даже более 100 метров. При этом на рассматриваемом интервале времени среднеквадратические ошибки определения широты и долготы составили соответственно 18,35 м и 27,18 м, высоты - 33,76 м.
Естественно предположить, что для динамичного объекта ошибки позиционирования существенно увеличатся.Кроме этого, при проведении эксперимента имели место моменты времени, когда наблюдаемых спутников оказывалось недостаточно (2 или 3) для решения навигационной
задачи в трехмерном пространстве. Такие моменты времени помечены точками на шкале времени рис. 1.
Известным и реализуемым на самолетах нового поколения способом повышения точности и надежности навигационного обеспечения является создание интегрированных бортовых комплексов оборудования, эффективность которых определяется как степенью совершенства ком-плексируемых измерителей и систем, так и возможностями алгоритмического обеспечения процессов обработки информации [2].
В системе АЗН предусматривается использование линии передачи данных (ЛПД) ОВЧ диапазона для обмена координатной информацией между объектами системы управления воздушным движением (УВД) по каналам «воздух-воздух» и «воздух-земля» [3]. Организация работы ЛПД в режиме многостанционного доступа с временным разделением каналов на основе единой шкалы времени позволит одновременно с осуществлением информационного обмена измерять дальности между взаимодействующими объектами (ВС, наземными пунктами, оборудованными терминалами ЛПД) беззапросным псевдодальномерным методом. Взаимодействующие в сети ЛПД объекты при определенных условиях [4] могут выполнять функции навигационных опорных точек (НОТ) в выбранной системе координат. Таким образом, ЛПД может выполнять функции системы ближней (локальной) навигации, что при соответствующей обработке информации позволит повысить как точность, так и надежность навигационных определений в системе АЗН.
Объекты системы УВД, оборудованные терминалами ЛПД, создают собственное навигационно-временное поле, в котором сами являются источниками навигационной информации, поскольку каждый из них передает по каналу обмена данными информацию о своих координатах, и до каждого из них может быть измерена дальность на определяющемся ВС. Отличие поля, создаваемого сетью терминалов ЛПД от поля, создаваемого системами ближней навигации, состоит в возможности его создания над любой областью земной поверхности, а также в его подвижности.
Непрерывное и надежное обеспечение ВС навигационной информацией от терминала ЛПД возможно лишь при наличии достаточного количества взаимодействующих объектов системы и видимых наземных, геодезически привязанных НОТ. В реальных условиях организации воздушного движения данное требование не всегда может выполняться. Поэтому для достижения заданной точности и непрерывности НВО необходимо комплексное использование навигационной информации, получаемой от взаимодействующих объектов сети ЛПД и навигационных систем ВС, входящих в состав интегрированного комплекса бортового оборудования, прежде всего инерциальной навигационной системы (ИНС) и приемника ССН.
ИНС обеспечивает поддержку ССН в интересах повышения помехозащищенности каналов слежения приемников и обеспечения непрерывности навигационных определений при перерывах в использовании ССН, вызванных различными причинами: помехами, маневрированием ВС, затенением сигналов и т.д. При перерывах в работе приемника ССН навигационные определения осуществляются на основе данных ИНС с учетом повышения их точности за счет оценки погрешностей в ходе комплексной обработки информации на этапах работоспособности спутниковой аппаратуры.
Поскольку вертикальному каналу ИНС свойственны значительные погрешности, для получения информации о высоте целесообразно использовать барометрический высотомер.
Интеграция ССН и терминала ЛПД базируется на структурной и информационной избыточности. Основой решения навигационных задач в них является общая для всех объектов шкала времени, используемая для измерения псевдодальностей до источников излучения навигационной информации с известными координатами.
В работе синтезирован алгоритм комплексной оптимальной обработки на основе метода компенсации погрешностей датчиков навигационной информации, использующий объединение измерителей на уровне вторичной обработки информации. В алгоритме использована модель
погрешностей ИНС, осуществляющей счисление в геодезической системе координат. Следует отметить, что реализация полученного алгоритма на программном уровне возможна в навигационном процессоре ЛПД или в бортовой вычислительной системе.
Путем имитационного математического моделирования были получены характеристики потенциальной точности оценки координат синтезированным алгоритмом для различных условий функционирования комплексируемых измерителей и взаимодействия объектов системы АЗН.
Рассмотрим ситуацию, когда три ВС, оборудованные однотипными системами, выполняют полет на одной высоте с одинаковыми (рис. 5) и различными (рис. 6) скоростями и курсами при полной потере работоспособности ССН. При этом комплексная обработка информации производится на основе данных ИНС/БВ и ЛПД, а оценка местоположения каждого из ВС основывается на взаимных измерениях псевдодальностей и обмене данными об их геодезических координатах. В качестве характеристики точности использовалась максимальная погрешность 2 Ог ошибки оценки местоположения ВС.
Результаты исследований показывают, что погрешность определения местоположения ВС составляет не лучше 245-300 м в зависимости от их взаимного положения (кривые 1, 2, 3 на рис. 5 соответствуют номерам ВС). Изменение курса одного из ВС приводит к уменьшению погрешности определения местоположения до 180-250 м (рис. 6) на интервале оценивания до 6-8 мин, что в 1,8-2 раза лучше точности, обеспечиваемой ИНС. На длительных интервалах оценивания погрешность оценки координат ВС определяется нарастанием ошибок счисления ИНС и смешением шкал времени терминалов ЛПД.
Рис. 5. Точность оценки местоположения при Рис. 6. Точность оценки местоположения
взаимодействии трех ВС, выполняющих при взаимодействии трех ВС, выполняющих
полет с одинаковыми скоростями и курсами полет с различными скоростями и курсами
Таким образом, комплексирование ИНС/БВ с терминалом ЛПД при взаимодействии ВС в системе АЗН позволяет повысить точность определения местоположения по сравнению с точностью, обеспечиваемой ИНС. При этом точность оценки местоположения зависит от количества и расположения взаимодействующих ВС, точности их систем счисления и точности измерения взаимных дальностей. При взаимодействии трех ВС применение синтезированного оптимального алгоритма дает выигрыш в точности определения местоположения не более чем в 2 раза по сравнению с точностью ИНС определяющегося ВС, причем это достигается при полете взаимодействующих ВС с различными курсами или скоростями. Очевидно, что такая точность недостаточна для решения таких навигационных задач, как полет в зоне аэродрома, заход на посадку и посадка на длительных интервалах оценивания.
Рассмотрим случай, когда сигналы от навигационных спутников (НС) доступны. При этом на вход навигационного фильтра определяющегося ВС поступают измерения псевдодальностей до наблюдаемых НС и взаимодействующих ВС, выполняющих функции НОТ.
При работе только по НС (отсутствуют взаимодействующие ВС) точность оценки местоположения ВС определяется прежде всего числом спутников рабочего созвездия, которое может быть меньшим номинального. Как видно из приведенных на рис. 7 результатов, при работе по четырем (полное рабочее созвездие) (кривая 1) и трем НС (кривая 2) точность оценки местоположения ВС составляет 2-7 м в условиях благоприятного геометрического фактора. При наличии в рабочем созвездии двух или одного НС (кривые 3 и 4 соответственно) точность оценки местоположения значительно снижается и составляет сотни метров.
Таким образом, требования по точности оценки координат ВС, соответствующие зоне аэродрома и заходу на посадку, обеспечиваются комплексом при работе не менее чем по трем НС. При работе по 4 НС обеспечивается достаточная для категорированной посадки точность оценки горизонтальных координат.
На рис. 8 представлены результаты исследования точности оценки местоположения при комплексной обработке информации от ССН и терминалов ЛПД для различного количества взаимодействующих ВС, выполняющих полет с одинаковыми скоростями и курсами. При этом исследовалась точность комплекса в неблагоприятных условиях, т. е. когда в зоне видимости ВС находится менее 3-х НС.
Рис. 7. Точность оценки местоположения Рис. 8. Точность оценки местоположения
при работе по различному числу НС при разном числе взаимодействующих ВС
Для двух взаимодействующих ВС при работе по двум НС (кривая 2) точность оценки местоположения каждого из них близка к точности, обеспечиваемой при работе по полному рабочему созвездию НС (кривая 1) и составляет 10-20 м. При работе по одному НС (кривая 4) точность значительно снижается и составляет сотни метров. При увеличении числа взаимодействующих ВС до трех при одном наблюдаемом НС (кривая 3) точность оценки местоположения повышается незначительно.
Таким образом, включение в процесс комплексной обработки информации о взаимных дальностях между объектами сети АЗН, поступающей от терминалов линии передачи данных, позволяет существенно повысить точность оценки координат ВС, а также повысить эффективность функционирования системы АЗН при сбоях спутниковой системы навигации. Для этого необходимо располагать не менее чем 4-мя НОТ, из которых 2 - навигационные спутники, причем изменение взаимного положения объектов системы АЗН в процессе навигационного сеанса оказывает влияние на точность оценки координат ВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крыжановский Г.А. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. - М.: Академкнига, 2003.
2. Лукин В.Н., Мищенко И.Н., Молочко С.В. Основные направления создания интегрированной авиационной бортовой радиоэлектронной аппаратуры систем связи, навигации и опознавания в США // Зарубежная радиоэлектроника. - 1987. - № 8.
3. Автоматическое зависимое наблюдение - радиовещательное (АЗН-В) на базе УКВ-линии передачи данных // Информационный документ. Версия 2.0. - М.: ГосНИИ Аэронавигации: ГосНИИ авиационных систем. - 1998.
4. Скрыпник О.Н., Ерохин В.В. Возможности использования воздушных судов как источников навигационной информации в локальном навигационно-временном поле // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 136(12).
INCREASE OF ACCURACY OF NAVIGATIONAL DETERMINATIONS WITH INSUFFICIENT NUMBER OF SATELLITES IN THE GPS OPERATIONAL CONSTELLATION
Skrypnik O.N., Solovyova T.L.
Accuracy of navigational determinations when working with incomplete constellation of GPS satellites is investigated on the base of full-scale experiment data and results of mathematical modeling. Peculiarities of solving a navigation problem under such conditions by a GPS receiver and a complex navigation system implementing the algorithm of Kalman advanced filter are considered. The conditions providing high accuracy of the coordinate estimation are determined.
Key words: simulation, navigation, precision.
Сведения об авторах
Скрыпник Олег Николаевич, 1959 г.р., окончил Киевское ВВАИУ (1981), доктор технических наук, профессор, заместитель директора Иркутского филиала МГТУ ГА по учебной и научной работе, автор 58 научных работ, область научных интересов - статистическая радионавигация, системы комплексной обработки радионавигационной информации.
Соловьева Татьяна Леонидовна, окончила МАИ (1983), Международный Университет в Москве (2004), кандидат технических наук, доцент, автор более 25 научных работ, область научных интересов -информационное и воздушное право, организация воздушного движения.
