CC BY
98
16 декабря 2011 г. 10:25
Т-Сотт #9-2010
(Технологии информационного общества)
Совместное использование импульсно-фазовых и спутниковых радионавигационных систем
Приводятся экспериментальные результаты применения кваїидачьномерного алгоритма повышения точности определения навигационных параметров ипульсно-фазовой радионавигационной системы.
Пнчугин С.М., Трошин П.В., МГТУ ГА
Введение
Несмотря на широкое применение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) для определения месторасположения объекта, импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) типа Лоран-С, Чайка продолжают свое развитее и не потеряли своей актуальности. Это объясняется тем, что ни одна из существующих систем не является универсальным навигационным средством.
ИФРНС характеризуется малыми точностями определения координат объекта, порядка 300 метров, но отличается хорошей помехоустойчивостью, ввиду большой мощности передающего сигнала.
Примером еще одного направления использования импульсно-фазовых систем являются работы по созданию системы ЕІЖОНХ, представляющей собой комплексную систему обслуживания, использующую сигнал ИФРНС для передачи дифференциальных поправок и другой служебной информации потребителям спутниковой системы на большие расстояния.
Благодаря использованию СРНС для навигационных определений подвижных объектов появилась воз-
можность повысить точность определения координат по ИФРНС. Использование координат полученных от СРНС позволяет снять систематическую ошибку, которая даст существенный вклад в погрешность измерения. оставив только шумовую составляющую. Тем самым, можно существенно улучить точность координат полученных по ИФРНС.
Общая характеристика ИФРНС
Импульсно-фазовая радионавигационная система (ИФРНС) “Чайка" была разработана в 1958 г. по заказу ВВС СССР. В США несколько ранее была создана аналогичная система Ьогап-С [I]. Первоначально обе системы предназначались для навигационного обеспечения ударных сил авиации н военно-морского флота при решении ими боевых задач. В настоящее время системы широко используются военными и гражданскими потребителями на морских, воздушных и наземных объектах. Основные тактико-тсхничсскис характеристики ИФРНС "Чайка” и Ьогап-С приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные тактико-технические харакіернсіикн ИФРНС "Чайка" и Ьогап-С
Характеристики РНС "Чайка- РНС Ьогап С
Рабочая частота. кГа МО
Дальность лей с пн а км суша морс 1400*1800 1800-2000
Мощность излучения передающих станций. кВт 150..1000 200...1000
Средней иратнческая погрешность, .4- определения местоположения 100-700 не более 2ЭД (.расчетная величина)
Вероятность безотказной работы одной станини 0.999
Относительная суточная нестабильность стандартов частоты передающих станций 5*10-« 3-Ю -и
В мире в эксплуатации находятся 26 цепей РНС Loran-C. каждая из которых содержит от 3 до 5 станций.
Общая площадь рабочих зон цепей РНС Loran-C превышает 95 млн кв. км. В России в рабочей эксплуатации находятся четыре цепи системы «Чайка»:
• Европейская, в составе пяти станций
• Восточная, в составе четырех станций
• на Севере России функционируют две цепи в составе пяти станций.
Общая площадь рабочих зон всех цепей составляет около 20 млн кв. км. кроме того, в России имеются региональные цепи ИФРНС средней мощности.
Факторы, влияющие на точность ИФРНС
Рассмотрим факторы, влияющие на погрешность определения координат по ИФРНС.
Точность определения координат по ИФРНС во многом зависит от условий распространения радиоволн. Систематическая ошибка, которая существенно ухудшает точность, связана с наличием дополнительного набега фазы сигнала, которая порождается изменением скорости распространения радиоволн над земной поверхностью.
Для оценки факторов, влияющих на точность ИФРНС, рассмотрим поле электрической антенны паз идеально проводящей плоскостью. В общем случае напряженность поля сигнала. равно[2]:
Е. - 300-—ехр| * d П
/ о/
l'(.v. у.:), (I)
где Р излучаемая мощность. А’ = 2 — — волновое
/.
число, </ — расстояние от излучателя до приемника, а У<х.у.2) — медленно меняющаяся комплексная функция координат, обычно называемая функцией или множителем ослабления.
Для нас важнейшие значение имеет аргумент множителя ослабления, взятый с обратным знаком; он как раз и определяет дополнительную фазу:
г). (2)
Рассмотрим влияние воздействия различного рода природных факторов на фазу радиоволн над земной поверхностью и способы их учета.
Основной причиной дополнительного набега фа <ы сигнала является неоднородность электрических параметров подстилающей поверхности, которая включает в себя влияние:
- изменения параметров почвы вдоль трассы распространения
- растительности
- небольших колебаний высоты поверхности над уровнем моря
- высоты точки приема
- геометрических неоднородностей поверхностей.
Дополнительная фаза радиосигнала напрямую связана с проводимость почвы, воспользовавшись выводами. полученными в [2], можно заключить, что чем хуже проводимость почвы и чем больше длина волны, тем
сильнее скорость распространения над сферической земной поверхностью отличается от скорости распространения в свободном пространстве. Под влиянием растительности, морского волнения, многих хаотически расположенных невысоких неровностей и т.п. поверхностная проводимость может отличаться на некоторую величину от вычисленного при учете электрофизических характеристик почвы, что приведет к изменению дополнительной фазы.
Дополнительная фаза довольно сложным образом зависит от высоты. Над земной поверхностью фронт радиоволны отличается от сферической волны в связи с поглощением энергии в почве. По мере подъема нм земной поверхностью фронт радиоволны будет испытывать тенденцию к восстановлению, что приводит к уменьшению дополнительной фазы. Однако с дальнейшим ростом высоты появляется тенденция к увеличению дополнительной фазы в свя іи с увеличением длины трассы распространения радиоволн.
Методы компенсации дополнительной фа>ы
в ИФРНС
Теперь рассмотрим существующие методы компенсации дополнительной фазы. Данные методы сводятся к расчету поправок на основе данных о поверхностном импедансе. 1:сть несколько способов расчета поправок.
1) Интерполяционные методы. В этом случае поправки вычисляются заранее для ограниченного числа пунктов рабочей зоны РНС. Далее дія получения поправки в любой точке рабочей юны используется формула линейной или квадратичной интерполяции.
2) Метод вычисления поправок с использованием карты проводимости. В этом случае производится непосредственный расчет дополнительной фазы на основе заранее известной информации о проводимости почвы.
Для реализации обоих этих методов необходима предварительная подготовка и ввод данных. Для реализации этих методов в бортовой аппаратуре необходимо иметь постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором сохранялись бы введенные в него поправки.
Кроме того поправки зависят от погодных условий и времени года, а это, в свою очередь, требует дополнительного пересчета и повторного ввода поправок в бортовую аппаратуру.
3) Квазидалышмсрный метод. Благодаря одновременной работе как по СРНС так и по ИФРНС, появляется возможность коррекции дополнительной фазы используя точные координаты полученные по СРНС. В этом случае в отличие от приведенных выше методов не требуется никаких предварительных расчетов поправок и их ввода в приемную аппаратуру. Кроме того, точность определения координат по ИФРНС при использование квазидальномерного метода становиться на порядок выше, чем у описанных выше.
Квазилальномерноый метод коррекции ИФРНС
По известным координатам объекта определенным по СРНС. рассчитываются расстояния от объекта до каждой станции ИФРНС в цепочке, по которой ведется работа. Далее определяются поправки к псевдодалыю-
119
Таблица 2
Погрешности определения координат при автономной работе ИФРНС и при поддержке от СРНС
ІІФРІ 1C без коррекции по СРНС ИФРНС с коррекцией по СРНС ИФРНС с коррекцией по CPIIC и последующим пропалаписм сигнала от СРНС
Среднее значение, м 67 12.5 14,7
ГКО, м 11 7 7,8
Выводы
Совместное использование ИФРНС и СРНС позволяет создать интегрированную радионавигационную систему, превосходящую по своим техническим характеристикам каждую из входящих в нес систем.
Как видно из результатов испытаний на реальной аппаратуре при совместном использование измерений от СРНС и ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки ИФРНС за счет измерений от СРНС. В дальнейшем в случае пропадания сигнала от СРНС из-за затенений, плохой геометрии видимых НС. перерывов в слежение, многолучевости работа может вестись по скорректированной ИФРНС.
121
Величина времени в течение, которого данная поправка будет действительна, зависит от скорости движения объекта и от изменения характеристик подстилающей поверхности.
Литература
I. Loran-C. Users Handbook. Department of Transportation. Washington 1994 r. - 350 c.
Кинку.іькин И.F.. Рубцов В.Д.. Фабрик MA. «Фазовый метол определения координат.» 1979 г. - 280 с.
Быков В.И., Никитенко Ю.И. Импульснофазовая радионавигационная система «Лоран-С». Изд. «транспорт». 1967. - 96 с.
