CC BY
41
80
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таким образом, в работе предложена и описана структура АСУ эксплуатацией ФО, которая посредством генерации управляющих рекомендаций с помощью экспертной системы позволяет осуществлять выбор рационального режима эксплуатации ФО.
Список литературы
1. Обзор аварий и инцидентов в металлургической отрасли [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.markmet.ru/tehnika-bezopasnosti-v-metallurgii/obzor-krupneishikh-avarii-v-metallurgicheskoi-otrasli
2. Число жертв аварии на металлургическом заводе в Китае достигло 11 [Электронный ресурс]. - Режим
доступа: http://ria.ru/world/ 20111005
/450066044.html
3. Емельянов В.А. Интеллектуальный метод распознавания изображений термограмм с использованием контурного анализа / В.А. Емельянов, Н.Ю. Емельянова // Системы обработки информации. -№ 9(116). - Харьков, 2013. - С.22-26.
4. Антощук С.Г. Метод нейросетевого прогнозирования изменения состояния объектов диагностики на металлургическом производстве / В.А. Емельянов, С.Г. Антощук // Электротехнические и компьютерные системы. - Киев: Техника, 2014. - №13(89) -С.70-76.
ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Евтушенко Олег Александрович
кандидат технических наук, директор филиала «НИИАэронавигации ФГУПГосНИИГА»
Ермошенко Юлия Марковна Общество с ограниченной ответственностью «АЭРОПРИБОР», г. Москва
АННОТАЦИЯ
Расширение функций аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем для использования при выполнения полетов на малых высотах, захода на посадку и категорированной посадки требовало учёта погрешностей навигационных расчётов, вызываемых отражением радиосигналов от подстилающей поверхности Земли. В работе проводится анализ влияния отражений от подстилающей поверхности Земли, шумов атмосферы, и космических шумов, а также динамики полета воздушного судна на качество функционирования размещаемой на нем аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем.
ABSTRACT
Functional expansion of the instruments of satellite radionavigation systems consumers for use in low flights, land approach and categorized landing required considering errors in navigation calculations caused by radio signals reflection at ground. The study includes analysis of the influence of reflection at underlying terrain, atmospheric noise and cosmic noise as well as an aircraft’s flight dynamics on the quality of equipment of satellite radionavigation systems consumers positioned on it.
Ключевые слова: спутниковая радионавигационная система, отражения сигнала от подстилающей поверхности, внешние шумы, воздушное судно, динамика полета.
Key words: satellite radionavigation system, signal reflection at underlying terrain, external noise, aircraft, flight dynamics.
Аппаратура авиационных потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа Г ЛО-НАСС и GPS, работающих в дециметровом диапазоне волн (X и 20 см), изначально разрабатывалась для сопровождения трассовых полётов. В настоящее время возникла необходимость расширить функции АП для выполнения полетов на малых высотах, захода на посадку и категорированной посадки. При этом возникает необходи-
мость учёта влияния отражений от подстилающей поверхности Земли на безопасность полётов.
Моделирование помех, обусловленных отражениями от подстилающей поверхности, предполагает принятие определенной модели последней. Наиболее часто используется модель Бэкмана [1, 2], в рамках которой шероховатая земная поверхность представляется состоящей из плоских элементов (граней) с произвольным наклоном (рисунок 1).
Рисунок 1 - К объяснению модели Бэкмана
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
81
При этом полагается, что каждая грань отражает луч, падающий на нее, с коэффициентом отражения Френеля только в локальном зеркальном направлении, что справедливо при длине граней l >> X. С учетом того, что принята длина волны X и 20 см, такое допущение справедливо для большинства реальных поверхностей. Парциальные волны, отраженные в одном направлении (гранями с одинаковым наклоном), суммируясь, образуют результирующую волну в том же направлении. При этом поверхность, состоящая из произвольных плоских граней, может быть описана марковским процессом с конечным числом
состояний и дискретными моментами перехода [1]. Плотность вероятностей распределения высот неровностей Ьн полагается нормальной
W1 (К ) = _7т=т ехР •^2 ж К
К
2 Л
V
2К2
(1)
где h - среднеквадратическое отклонение высот неровностей.
Мощность помехи, вызванной отражением от подстилающей поверхности, в соответствии с [3] определяется по формуле
Р
п
N
ГЬс ZGbc {/, s,Hbc } P„„r }K (ДтT}
7=1
(2)
где GBC{i, s, HBC} - коэффициент усиления антенны ВС в направлении i-й площадки земной поверхности; К{Дтзр Тк} - коэффициент подавления помехи в приемнике АП СРНС, в режиме обнаружения сигнала равный
К (Дт }=
(
1 -
Дт„
V
Т
к
(3)
Ротр^} - мощность, излучаемая i-й площадкой земной поверхности в направлении на ВС, равная
2
где
Ротр (i} =
X W
Р Прд. ГНКА ЛН НКA Si
4 ж Di Latm (у)
" (н ВС Л arctgl —— - у 1 W ( ж HBC Л — arctg —— 2 5 S
2 2
V )
X2
4 ж R
2 Гг (s з , У}
W(p) = ^=L 1 SeC (р) exp <----
■J2k S К [ 4 К2
e tg2p|
Рг (sз ,У} =
cos у-yje3 - sin2у
cos y + ^/s3 - sin2у
X
(4)
(5)
(6)
РПрд - мощность передатчика навигационного космического аппарата (НКА); п и Si - координаты центра i-й площадки переотражения; Дтзi - время задержки отраженного сигнала от i-й площадки; Тк - время корреляции элемента дискретного сигнала, используемого в канале передачи данных; Di - расстояние между центром i-й площадки и НКА; LATM(y) - потери в атмосфере; Ri - расстояние от центра i-й площадки до ВС; W(P) - плотность вероятностей угла наклона i-й площадки по отношению к горизонту; l - интервал корреляции неровностей поверхности; Гг - коэффициент отражения для горизонтальной
составляющей поляризации волны; sз - диэлектрическая проницаемость почвы; у - угол места НКА, s- угол крена ВС в сторону НКА.
Предполагается, что в качестве приемной антенны используются расположенные скрещенные щели с максимальным коэффициентом усиления при р = 0° равным G(0) = 6,1 дБ и шириной диаграммы направленности по уровню -3 дБ равной 168°. При этом коэффициент усиления антенны записывается [4]:
Г (в W)J6,1 -0,1081р|,дБ, -84° <р<84°,
ВСVp,W) |8,446-0,158 |р|, дБ, 84° <р< 180°, -180° <р<-84°.
(7)
Эквивалентная шумовая температура антенны определяется выражением [41]
1
2ж
+ 0,329Z
/ ч T (X) , '
TATM (X, р, ) + rA п \ + Тз (X, sз , р, )
_l(x , р,)
TATM (X,Р')+ L^ + T (Л,sз ,Р>)
Др, +
Др Л + T
ДИ
(8)
82
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
где TATM(X, pi) - яркостная температура атмосферы в
направлении pi для данной длины волны X; Тк (x) - усредненная по небосводу яркостная температура галактических источников шума; Тз(Х, ез, pi) - яркостная температура поверхности Земли в направлении pi при данных значениях длины волны X и диэлектрической проницаемости почвы ез; ТДИ - составляющая шумовой температуры антенны, обусловленная радиоизлучением дискретных источников; pi, pj - текущие значения углов, соответствующие i-му и j-му интервалам; Api и Apj - интервалы усреднения, в пределах которых яркостная температура принимается постоянной; L(X, pi) - ослабление сигнала в атмосфере в направлении pi. Зависимость яркостной температуры атмосферы TATM от угла места НКА относительно ВС в диапазоне 1,5ГГц (X = 20 см) представлена на
рисунке 2. Из рисунка видно, что яркостная температура атмосферы достаточно быстро падает при возрастании угла места.
Зависимость ослабления сигнала в атмосфере в диапазоне 1,5 ГГц при различных высотах полета ВС и углах места НКА относительно ВС представлена на рисунке 3. Из рисунка видно, что с ростом высоты полета ВС и угла места НКА ослабление сигнала в атмосфере уменьшается. Зависимость яркостной температуры поверхности Земли в диапазоне 1,5 ГГц для горизонтальной и вертикальной поляризаций при различных углах места НКА относительно ВС и различных значениях диэлектрической проницаемости почвы ез представлены на рисунке 4. Яркостная температура галактических источников шума Тк (X) при расчетах принята равной10° К.
Эффективная шумовая температура дискретных источников складывается из шумовых температур отдельных источников и определяется соотношением, основанном на том, что шум на выходе системы определяется суммой вкладов от них, суммируемых с весами, равными доле мощности, излучаемой антенной в телесном угле данного источника:
ТДИ ^ 2 ТДИ1 (Х)
GBCt (p ди
I(Xp
ДИ
'У ДИ ) 'у ди )
(9)
где ДИ^ ' - яркостная температура, усредненная по поверхности дискретного источника; L(X, p,3H, уДИ) и GBCi(p ДИ, уДИ) - ослабление сигнала и усиление приемной антенны ВС в направлении НКА.
При расчетах радиоизлучений дискретных источников рассмотрим случаи максимального и минимального радиоизлучения. Максимальное радиоизлучение характерно для больших углов места НКА. относительно ВС, а минимальное - для малых. В первом случае принимаем GBCi(pДИ, уДИ) = 4; L(X, PДИ, уДИ) = 0,05 дБ, а во втором GBCi(p,nft уДИ) = 0,5; L(X, PДИ, уДИ) = 3 дБ. Для Солнца в диапазоне 1,5 ГГц средняя яркостная температура Тс(Ц), приведенная к среднему видимому телесному углу АО: = 0,22 град.2, лежит в пределах 105 - 2 105к. Для
Луны видимый угловой размер равен 30°, а средняя яр-
Т
костная температура л = 225°К для диапазона 1,5 ГГц [5]. Расчеты по формуле (9) показали, что эффективная шумовая температура Солнца лежит в пределах 0,04° -1,35°К, а Луны 0,08° - 1,25°К. Таким образом, за счет широкой диаграммы направленности приемной антенны шумовым вкладом дискретных источников можно пренебречь.
Результаты расчета эффективной шумовой температуры по формуле (8) для диаграммы направленности антенны для различных углов крена ВС представлены на рисунке 5. Из рисунка видно, что с ростом угла крена ВС уровень шума несколько увеличивается за счет приема дополнительного шумового излучения земной поверхности.
Одним из факторов, снижающих достоверность передачи данных по дискретному каналу радиосвязи, является многолучевое распространение за счет переотраже-ний от земной поверхности. Вопросы влияния многолучевого распространения на качество радиоприема рассматривались в работах [6 - 9]. Спецификой многолучевого распространения сигналов дискретных сигналов является то, что амплитуда отраженного сигнала зависит от его задержки. Причем, в режиме обнаружения эта зависимость имеет вид:
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
83
U =
1 -
* Л х - т
T
к
0
U
X* -х3 < Тк X* -х > T
(10)
где х* - оценка времени задержки (в режиме обнаружения
оценка проводится в диапазоне априорной неопределенности путем последовательного перебора всех возможных задержек с дискретом Тк/2); Тк - ширина автокорреляционной функции элемента сигнала; хз - время задержки отраженного сигнала; Штр - амплитуда отраженного сигнала.
В соответствии с формулой (10) отраженные сигналы, задержанные более чем на Тк относительно прямого сигнала, практически не создают помех на выходе коррелятора при используемой, как правило, корреляционной обработке, В режиме слежения следует рассматривать два сигнала, которые получаются за счет сдвигов «раньше», «позже» на Тк/2 относительно оценки х*. Очевидно, что многолучевое распространение будет оказывать большее влияние на сигнал типа «позже». При этом амплитуду отраженного сигнала на выходе коррелятора в этом режиме можно записать так:
U = \
(
1 -
* Т
х* - — 2
- х.
Л
U
Тк ) отр ’ 2 3 к
0 Т х*--к-х > Т
2 3 к
(11)
Отсюда видно, что на выходе коррелятора будут подавляться практически полностью отраженные сигналы, задержанные более чем на (3Тк)/2.
На основании формул (10) и (11) можно рассчитать зоны отражения от поверхности Земли, которые участвуют в формировании помех на выходе коррелятора. При
(
Чш =
P
P
этом размер указанных зон для режима слежения будет несколько большим и следовательно будет выше уровень помех. Приведенное выше выражение (41) для мощности отраженного сигнала было получено в рамках этой модели.
Мощность сигнала на входе приемника, размещаемого на ВС, определяется выражением
Р =
свх
РПрд. G Прд. ЛПрд. GBC {у е}л
IBC
4ж D
X2
Latm {у > HBC }
(12)
где РПрд. - мощность передатчика НКА; GПрд. -коэффициент усиления антенны Прд.; цПрд. и цВС - коэффициенты потерь в антенно-фидерном трактах Прд. и ВС; GВС{у - е} - коэффициент усиления антенны ВС в направлении НКА; е - угол крена ВС в направлении НКА; у - угол места НКА относительно ВС; D - расстояние между НКА и ВС; X - длина волны; LATM{y, HBC} - потери в атмосфере; НВС - высота полета ВС. Отношение сигнал/шум по напряжению на выходе приемокоррелятора вычисляется по формуле
л>2
РПрd.GПрд. Л Прд. GBC {у е} Л
IBC
D2 X2
LATM {у ,HBC }к A FK [TA {у,е, Hbc }л BC + Т0 (кш Л BC )]
Выражение для отношения сигнал/помеха записывается в виде
(13)
<
84
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 6 (15), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Чп =
P.
N
Gbc (у-е}1 ATM {у .0} / Latm {у. H BC } '
S,.
: 2 GBC {. е. HBC }к (Ат31тк ) Гг (в л. к)
,= i 4 к R
х W
Результирующее выражение для отношения сигнал/(по меха + шум) qрез. записывается
= Чп ■ Чш
Ч рез.
" ~" (15)
" (HBC arctg 1 B -у) W К H bc — arctg —— 2 5 S Л
2 2
J
R(t) = R(o) exp <j -
N v
Чп + Чш
(14)
(16)
где V - путевая скорость движения ВС, l - интервал про-
_ странственной корреляции высот неровностей. Резуль-
Отличие помехи многолучевого распространения „ ,,
J и и и таты расчетов результирующего отношения сигнал/(по-
от шумов состоит в том, что она является коррелирован-
„ F _ меха + шум) в режиме слежения при сдвиге «вправо» и
ной. Причем, корреляционная функция, в первом приближении, может быть аппроксимирована выражением
«влево» представлены на рисунке 6 для различных высот полета, углов места НКА относительно ВС у и углов крена ВС в.
Рисунок 6 - Зависимость отношения сигнал/(помеха + шум) от угла места НКА, высоты полета и угла места ВС
Список литературы
1. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотомерии. - М.: Советское радио, 1979.
2. Король В.М., Шатраков Ю.Г. Основы радионавигации. ГУАП, СПб., 2011,
3. 100 с.
4. Олянюк П.В. Спутниковые навигационные си-стемы.АГА, СПб, 2008г, 98 с.
5. Энергетические характеристики космических радиолиний. Под ред. О.А.Зенковича. - М.: Советское радио, 1972.
6. Beckman P., Spizzictino A. The scattering of electromagnetic waves from rough surface. Pergamon
Press. N.J., 1963.
7. Hahsen A. The NSTB: A Stepping Stone to WAAS, GPS World, June 1998.
8. Khall M.A. GPS multiptipath error aerspace symposium. Atlantic - City, 25 - 27 Okt. 1978.
9. Loh R., Nii Aileen S. Wide Area Augmentation System (WAAS). Design for Growh in both National and International Environments, DSNS-96, St. Petersburg, May 1996.
10. Specification Wide Area Augmentation System (WAAS), U.S.Department of Transport, Federal Aviation Administration, FAA-E-2892 B, March 10, 1997.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОКОВ ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТОВ ДЛЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ
Задраускайте Наталья Олеговна
Канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры древесиноведения и технологии деревообработки, САФУ имени М.В.
Ломоносова, г. Архангельск
АННОТАЦИЯ
В статье представлен анализ существующих классификаций пороков древесины. Показана неэффективность применения существующих классификаций для построения систем автоматического опознавания пороков. Представлена новая классификация пороков древесины.
