CC BY
60
УДК 621.396.6:629.7.05
СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКОВ GPS, ФОРМИРУЮЩИХ ПОЛЕ НАВИГАЦИОННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ В РАЙОНЕ АЭРОДРОМА
П.В. РЯБКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Нечаевым Е.Е.
Получены экспериментальные результаты оптимального размещения измерительных пунктов с использованием одночастотных приемников GPS для формирования поля навигационных погрешностей в районе аэродрома посадки воздушного судна (ВС) гражданской авиации (ГА) по критерию максимума уровня принимаемого навигационного сигнала. Определено минимальное расстояние между измерительными пунктами при двумерном размещении.
Ключевые слова: одночастотные приемники, спутниковые радионавигационные системы, погрешность.
В состав организации воздушного движения (ОВД) в районе аэродрома входят подсистемы связи, ближней навигации и наблюдения ВС на основе радиолокационных средств. В современных условиях развития ГА возможности этих подсистем ОВД в районе аэродрома ограничены, так как их применение затруднено вследствие высокой интенсивности воздушного движения и необходимости его обеспечения над мегаполисами на посадочных высотах [1]. Так, например, системы ближней навигации радиомаячного типа имеют ограниченную пропускную способность и дальность действия.
Рис. 1. Схема организации воздушного движения в районе аэродрома:
A-SMGCS - система управления наземным движением; ADS-B - автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания; GNSS - глобальная спутниковая система навигации; DGNSS- радиосигнал дифференциальных поправок GNSS; SSR- первичные и вторичные обзорные
радиолокаторы
Для осуществления оптимального управления полетами в зоне аэродрома необходимо повышать пропускную способность системы ОВД при постоянном росте интенсивности воздушного движения. На 10-й Аэронавигационной конференции ICAO была принята концепция CNS/ATM, которая опирается на использование глобальных спутниковых навигационных систем (GNSS) как в масштабах всего воздушного пространства (ВП) Земли, так и в районе конкретного аэродрома (рис. 1).
Аналитическое моделирование, проведенное специалистами ГосНИИ «Аэронавигация», показывает, что внедрение технологии CNS/ATM позволит снизить риск тяжёлых авиационных происшествий, связанных с потерей экипажем ВС ориентации в пространстве, примерно в шесть раз [1].
Технически реализация концепции CNS/ATM основывается на функционировании глобальных СРНС. Однако точность определения координат в СРНС не всегда удовлетворяет требованиям потребителей ГА при решении специальных задач и особенно при категорированной посадке. Способы увеличения точности определения пространственных координат разнообразны и в основном сводятся к уменьшению погрешностей СРНС, а также за счет комплексирова-ния разных систем.
Таким образом, обеспечение информацией ВС ГА точными пространственными координатами по сигналам существующих СРНС является важной задачей, решение которой достигается комплексом мероприятий, а именно совершенствованием алгоритмов обработки информации, учетом особенностей среды распространения радионавигационного сигнала и совершенствованием бортового РЭО. Решение перечисленных задач позволит снизить напряженность работы наземной диспетчерской службы, повысить безопасность производства полетов и снизить вероятность летных происшествий. Автономный пользователь СРНС может компенсировать погрешности среды методом двухчастотных измерений и методом моделирования трассы распространения радиосигнала. Установка на борт ВС ГА двухчастотных НАП требует серьезных материальных затрат, а метод моделирования трассы «НКА-НАП» не дает требуемой точности при решении задач категорированной посадки. Основным способом получения точных координат является дифференциальный режим (ДР). Организация ДР позволяет выполнить жесткие требования, предъявляемые к выполнению посадки ВС по категории ИКАО.
Основными погрешностями, которые можно скомпенсировать, используя ДР, являются:
- ошибки синхронизации ШВ НКА;
- ошибки эфемерид НКА;
- ошибки, возникающие при распространении сигнала на пути «НКА-НАП».
Принцип работы СРНС дает возможность корректировки её погрешностей, исходя из анализа параметров сигналов НКА, прошедших ионосферу. Отсюда следует возможность создания методик определения навигационной погрешности СРНС. Обычно эти методики базируются на известных свойствах двухчастотных приемников, что делает невозможным их использование для повышения точности навигационного обеспечения ВС ГА. В работах [2, 3] разработана методика определения ионосферных погрешностей СРНС на базе измерительного пункта, использующего в качестве аппаратного обеспечения одночастотный серийный приемник. Описанная методика имеет высокое временное разрешение ~ 1 с, возможность организации сети измерительных пунктов для формирования поля навигационной погрешности и невысокую стоимость реализации.
В работе [4] показано, что возможен отличный от дифференциального режима подход к решению проблемы определения ионосферных погрешностей СРНС, состоящий из двух этапов: на первом этапе производится определение регулярных вариаций ионосферных погрешностей СРНС [5], на втором этапе - флуктуационная составляющая ионосферной погрешности [2, 3]. Подход основан на анализе параметров «сырых» данных радионавигационного сигнала, принятых одночастотным приемником GPS.
В работе [5] показано, что мониторинг навигационного поля СРНС с помощью сети измерительных пунктов, расположенных в районе аэродрома, позволяет создавать «карты» навигационных погрешностей с высоким пространственно-временным разрешением для навигационного обеспечения категорированной посадки ВС. Уточним, что речь идет о погрешностях, обусловленных нерегулярными процессами, происходящими при распространении навигационного сигнала на пути «НКА-НАП». Также в работе было указано, что существует проблема корректного учета коррелированности измеряемых навигационных погрешностей при размещении измерительных пунктов.
При решении задачи коррекции навигационной погрешности была выполнена серия экспериментов. Производилась имитация организации сети по измерению навигационных погрешностей в районе аэродрома при одномерном и двумерном размещении измерительных пунктов. В работах [4, 6] показано, что при одномерном размещении измерительных пунктов и расположении антенн приемников на расстоянии (5^6) X коэффициент парной корреляции 0.97^0.99 (рис. 2). В диапазоне расстояний (1^5) X достаточно сильная корреляция (0.75^0.83) связана с взаимным влиянием антенн НАП. Если расстояние между антеннами НАП больше 10X, коэффициент парной корреляции резко уменьшается, что свидетельствует о независимости погрешностей, обусловленных средой распространения сигнала СРНС.
к
1 -
0,8 -0,6 -0,4 -
0,2 -
0 -
Рис. 2. Коэффициент парной корреляции
Отсюда следует вывод, что высокоточное определение навигационных погрешностей возможно при расстоянии между измерительными пунктами не менее чем 50X.
Эксперимент, имитирующий двумерное размещение измерительных пунктов в районе аэродрома посадки ВС ГА, выполнялся согласно схемы, представленной на рис. 3. Для чистоты эксперимента, устранения эффектов многолучевости и имитации условий размещения измерительного пункта в районе аэродрома, измерения проводились на крыше многоэтажного дома 8.07.2010 г. в г. Воронеж с 17.00 - 20.00 LT в условиях чистого неба.
Направление на истинный .k север
—-/25L
/ 20L
— / 15L
У 10L
• 5L , где L - длина волны / (0,1902 м)
/ Траектория перемещения и — • точки измерений приемника “с”
/ 2L
1L
\ / 0,5L Место установки приемника “а”
Рис. 3. Схема эксперимента 8.07.10 г., г. Воронеж, 17.00 - 20.00 LT
При проведении эксперимента НАП устанавливались в точках 0,5X, 1X, 2X, 3X, 4X, 5X,10X, 15X, 20X, 25X. В эксперименте использовались следующие серийные одночастотные НАП:
- приемник «а» - Garmin GPS 3 Pilot;
- приемник «b» - Garmin GPS 5;
- приемник «с» - Garmin GPS 5.
lln
U 2X ЗА AX 5X eX IX 10JL 50Я 100X Расстояние менаду антеннами приемников
Во время всего сеанса измерения наблюдалось от 8 до 10 НКА. Обработка результатов измерений производилась с помощью программного комплекса, описанного в работах [2, 3]. Для каждой комбинации размещения приёмников измерения производились в течение 10 минут. В табл. 1 - 4 приведены данные (в % от времени измерений) наличия сигнала в приёмниках а, Ь и с, разнесённых на расстояние Ьа-Ь-с=0,5Х, 1Х, 2Х, 3Х, 4Х, 5Х, 10Х, 15Х, 20Х, 25Х соответственно. Для примера приведены таблицы с результатами измерений при Ьа-Ь-с=0,5Х, 1Х, 3Х, 20Х.
Таблица 1
Наличие сигналов НКА (в % от ¿изм) при Ьа-ъ-с=0,5 X
08 09 011 015 017 018 022 026 027 028
а 100 100 100 100 100 100 0 100 100 100
Ь 100 100 100 100 100 100 10,5 100 100 100
с 100 100 100 100 100 100 39,6 100 100 100
Таблица 2
Наличие сигналов НКА (в % от ¿изм) при Ьа-ъ-с=1 X
08 09 011 015 017 018 022 026 027 028
а 100 100 95 100 100 98,8 0 100 100 100
Ь 100 100 95,7 100 100 100 94,8 100 100 100
с 100 100 100 100 100 100 98,7 100 100 100
Таблица 3
Наличие сигналов НКА (в % от ¿изм) при Ьа-ъ-с=3 X
04 09 011 012 015 017 022 026 027 028
а 0 100 98,3 41,2 100 100 0 100 100 100
Ь 39,2 100 73,3 95,8 100 100 67 100 100 100
с 44,8 100 75,5 97,17 100 100 35,7 100 100 100
Таблица 4
Наличие сигналов НКА (в % от ¿изм) при Ьа-ъ-с=20 X
02 04 09 012 014 017 027 030
а 100 100 100 100 100 100 100 98,8
Ь 100 100 100 100 100 100 100 100
с 100 100 100 100 100 100 100 100
Из табл. 1-4 видно, что устойчивый приём (100% принятых сигналов от спутника за время измерений) достигается от 6.. .9 спутников рабочего созвездия, при этом порог приёма сигнала определялся на уровне пяти по десятибалльной шкале градации уровня сигнала. Также видно, что имеет место пропадание сигнала от НКА то на одном, то на другом приёмнике, что непосредственно связано с условиями распространения радиоволн на пути «НКА-НАП». В табл. 5 приведены значения парной корреляции для трех измерительных пунктов (рис. 3), рассчитанных согласно выражения, представленного в [6].
Таблица 5
Значения парной корреляции для трех НАП
Размещение, Ь КаЬ Кас КсЬ
0,5 1 1 1
1 0,773 1 0,741
2 0,587 0,728 0,865
Продолжение табл. 5
3 0,79 0,86 0,913
4 0,821 0,983 0,999
5 0,985 0,983 1
10 0,824 0,82 0,999
15 0,67 0,613 0,98
20 0 0 0
25 0 0 0
На рис. 4 представлены коэффициенты парной корреляции принимаемых сигналов. Видно, что при расположении антенн приемников на расстоянии (0,5^10)Х коэффициенты парной корреляции не меньше, чем 0.587^1. Достаточно сильная корреляция объясняется взаимным влиянием антенн НАП. Коэффициент парной корреляции резко уменьшается при расстоянии между антеннами НАП больше 20Х, что говорит о независимости вносимых атмосферой Земли погрешностей в данном случае.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
ш
I
Kab
Kac
Kbc
□ 0,5L
■ L 1
□ L 2
□ 3L
■ 4L
□ 5L
■ L 0 1
□ L 5 1
■ L 0 2
□ L 5 2
Рис. 4. Коэффициенты парной корреляции между тремя НАП
В ходе проведенных исследований на основании полученных результатов следует вывод, что для формирования поля высокоточных навигационных погрешностей в районе аэродрома размещение измерительных пунктов необходимо осуществлять на расстоянии не менее (20-25) X, в данном случае будет учтена изменчивая структура пространственной корреляции навигационной погрешности, возникающей на пути «НКА-НАП».
В [10] сообщается, что разворачивать на территории России сетевую структуру, которая будет объединять большое количество контрольно корректирующих станций (ККС), не целесообразно. Аппроксимировать значение поправки между измерительными пунктами возможно только полиномом первого порядка, потому что закон изменения поправки не известен и меняется по ходу движения НКА и зависит от изменчивой структуры ионосферы. В разных регионах значение погрешности будет зависеть от расстояния до ККС. Все известные значения поправок необходимо объединять в единую сеть и передавать по каналу связи в НАП, где будет приниматься решение об использовании наиболее точной поправки. Вышеперечисленные проблемы делают систему труднореализуемой из-за значительных размеров территории Российской Федерации.
Решение задачи повышения качества координатного обеспечения ВС в районе аэродрома осуществляется путем организации локальной дифференциальной системы. Считается перспективным построение локальных высокоточных дифференциальных систем, удовлетворяющих требованиям категорированной посадки.
Результаты представленных экспериментов показывают возможность использования измерительных пунктов на основе недорогих серийных одночастотных НАП GPS, в основе работы которых будет заложен алгоритм, разработанный в [2, 3].
В [7, 8, 11, 12] показано, что значение временных вариаций ионосферной погрешности в СРНС ГЛОНАСС может достигать 0,1-0,2 м за одну мин и 0,3-1,4 м за 6 мин. При удалении от ККС на расстояние более 50 км погрешность может принимать значение порядка 12-25 м. Данные результаты получены в условиях спокойного околоземного пространства.
Рис. 6. Навигационное поле, формируемое одним измерительным пунктом:
А - пространственная изменчивость навигационной погрешности
Обобщая результаты, полученные в данной работе, и результаты исследований [11, 12], можно спроектировать состав наземной системы измерительных пунктов и представить оптимальную геометрию их размещения по критерию максимального охвата полем навигационных погрешностей с заданным значением ошибки.
Для формирования поля навигационных погрешностей с учетом пространственной изменчивости ионосферной погрешности определения местоположения ВС ГА в районе аэродрома и выполнения требований ИКАО по осуществлению категорированной посадки необходимо в непосредственной близости к центру ВПП установить измерительный пункт (рис. 6). Сформированное навигационное поле радиусом 25 км на краю теоретически может иметь ошибку около 0.5 м. Данные условия обеспечивают ВС ГА поправкой на этапе полета по коробочке. В точке четвертого разворота при выходе в створ ВПП, ВС находится на удалении 20 км.
Рис. 7. Навигационное поле, формируемое пятью измерительными пунктами:
А, В - пространственная изменчивость навигационной погрешности в разных сечениях
По мере приближения ВС к ВПП координатное обеспечение будет уточняться, так как бортовая НАП приближается к измерительному пункту, формирующему навигационную поправку. Если необходимо построить навигационное поле в зоне ответственности аэродрома, радиус около 150 км, необходимо использовать 5 измерительных пунктов, что на крае поля теоретически может обеспечить ошибку 0.5- 0,75 м (рис. 7).
Выводы
1. Результаты выполненных исследований показали, что для формирования поля навигационных поправок с учетом пространственной корреляции ионосферной погрешности расстояние между измерительными пунктами должно быть более 50 длин волн диапазона L1. При выполнении данного условия исключается взаимное влияние приемных антенн, а погрешности, обусловленные влиянием атмосферы Земли, считаются некоррелированными.
2. На основе анализа выполненных исследований предложена схема размещения измерительных пунктов для формирования поля навигационных погрешностей в районе аэродрома.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шестаков И.Н. Интеграция и автоматизация процессов выполнения полётов и управления воздушным движением // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2006. - № 107 (10).
2. Горбачёв О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приёмников GPS для диагностики ионосферы // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2006. - № 107 (10).
3. Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы (часть II) // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2007. - № 117.
4. Горбачев О.А., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. О возможности высокоточного определения навигационных погрешностей СНС GPS/ГЛОНАСС с помощью одночастотных приемников // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 159 (9).
5. Горбачев О. А. Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы: дис. ... д-ра техн. наук. - М: МГТУ ГА, 2009.
6. Горбачов О. А., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу размещения спутниковых навигационных приемников на борту воздушного судна // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 159(9).
7. Coster A.J., Gaposchkin E.M. and Thornton L.E. Real-time ionospheric monitoring system using GPS // Journal of The Institute of Navigation. 1992. vol. 39(2). 191-204.
8. Демьянов В.В. Особенности спутниковых радионавигационных систем в неблагоприятных гелио-геофизических условиях. - Иркутск: ИрГУПС, 2010.
9. Interface Control Document GPS // ICD-GPS-200C-002, 1997.
10. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. - 4-е изд., испр. и доп. - М.: Радиотехника, 2010.
11. LASS Ionosphere Spatial Gradient Threat Model and Impact of LGF and Airborne Monitoring / Luo M. [et al.] // ION GPS/GNSS, 9-12 September. - Portland OR, 2003.-P. 2255-2274.
12. The Effect of Local Ionosphere Décor relation on LASS [Electronic resource]: Theory and Experimental Results / Jock R.I. [et al.] // Stanford, 2004. - Mode of access: http://www.stanford.edu/group/GPS. - 11.12.2009. ]
METHOD OF THE SINGLE-FREQUENCY RECEIVERS GPS, FORMING THE FIELD OF NAVIGATION ERRORS IN THE TERMINAL AREA
Ryabkov P.V.
Obtained experimental results of the optimal placement of the meter-points with the use of single-frequency GPS receivers for the formation of the field of navigation errors in the area of airport landing aircraft (AIRCRAFT) civil-civil aviation (GA) in terms of high level of navigational signal. Defined minimum distance between the measuring points in the two-dimensional distribution.
Key words: single-frequency receivers, satellite radio navigation systems, the error.
Сведения об авторе
Рябков Павел Владимирович, 1974 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1996), преподаватель кафедры эксплуатации авиационного радиоэлектронного оборудования ВАИУ (г. Воронеж), автор 15 научных работ, область научных интересов - радионавигация, использование спутниковых технологий при ОрВД.
