Исследование методов измерения и прогнозирования ошибок многолучевого распространения в системе инструментальной спутниковой посадки

Целью работы является исследование и разработка методов измерения и прогнозирования ошибок многолучевого распространения в системе инструментальной посадки воздушного судна с использованием глобальной навигационной спутниковой системы.

Актуальность работы. В соответствии с планами международной организации гражданской авиации спутниковые навигационные системы должны стать основным средством навигации в авиации. Дифференциальный режим работы аппаратуры потребителей позволяет реализовать высокоточный режим навигации и посадки воздушных судов (ВС). Для этого аппаратура потребителей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), состоящей из систем GPS и ГЛОНАСС, используется совместно с локальными системами функционального дополнения — локальными контрольно-корректирующими станциями (JIKKC). JIKKC вырабатывает дифференциальные поправки, выполняет функции контроля работоспособности навигационных спутников и вырабатывает информацию о целостности и точности.

Для решения задачи контроля целостности в наземной и бортовой аппаратуре должны контролироваться ошибки измерений, создаваемых в основном шумовыми помехами и многолучевым распространением (MJIP) сигналов, и вырабатываться оценки дисперсии ошибок измерения псевдодальностей в JIKKC и бортовом приемнике. При посадке ВС должно удерживаться в коридоре, который определяется допустимыми ошибками. При выходе за границы ошибок пилот должен получать предупреждение о потере целостности навигационных измерений.

В технических требованиях на систему инструментальной посадки ВС [3] отсутствуют рекомендации по методам оценивания ошибок МЛР и дисперсии ошибок дифференциальных поправок, поэтому актуальной является проблема контроля величины дисперсии ошибок МЛР в оборудовании ЛККС и бортовом приемнике ВС.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МЛР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими постоянными времени. При этом отбрасывается низкочастотная составляющая ошибки МЛР. Подобные методы могут использоваться на ЛККС благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения карты помех, однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок МЛР на борту маневрирующего ВС. Ограниченность известных алгоритмов обуславливает актуальность разработки новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных, которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МЛР и могут быть применены как в ЛККС, так и на борту ВС.

В первой главе проведен обзор принципов построения спутниковой системы инструментальной посадки и использования ЛККС в задаче контроля целостности, на основании которого показано, что основными ошибками дифференциальных поправок являются ошибки МЛР и шумы кодовых измерений псевдодальности на ЛККС и на борту ВС. При этом в соответствии с техническими требованиями на систему инструментальной посадки ВС для контроля целостности необходимо выполнять оценивание дисперсий ошибок дифференциальных поправок и ошибок измерения координат на борту ВС. В то же время, отсутствуют рекомендации способов определения дисперсий этих ошибок и в частности, ошибок МЛР в наземном и бортовом оборудовании посадки.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МЛР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими (сотни секунд) постоянными времени. Подобные методы могут использоваться на ЛККС благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения «карты помех», однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок MJ1P на борту маневрирующего ВС.

В связи с перспективой использования спутниковой информации в системах посадки II и III категории возрастают требования к контролю целостности навигационных измерений. При этом в современном спутниковом оборудовании начинает широко внедряться комплексирование с инерциальными навигационными средствами.

Рассмотренные в главе метод измерения ошибки MJIP с помощью полосового фильтра и корреляционный метод позволяют оценивать и прогнозировать только дисперсию наземной ошибки MJ1P в JIKKC. При этом отбрасывается низкочастотная составляющая ошибки MJIP. Кроме того, корреляционный метод выделяет лишь сильно коррелированную составляющую ошибки MJIP и позволяет оценить ошибку MJIP только при наличии единственного источника помех.

На основании проведенного обзора известных методов измерения ошибки MJIP и технических требований на систему инструментальной посадки ВС были обозначены следующие задачи настоящего исследования:

— разработка новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных, которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МЛР;

— исследование спектра ошибок MJIP в спутниковой навигационной системе;

— исследование влияния комплексной обработки сигналов на ошибки MJIP;

— предложенные методы определения и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР должны быть применимы как в JIKKC, так и на борту ВС.

Во второй главе предложен специальный измеритель ошибки многолучевого распространения на основе измерений отношения сигнал-шум, а также проведен расчет точности предложенного метода измерения ошибки многолучевого распространения.

В третьей главе проведена оценка влияния комплексной фильтрации на оценки псевдодальности путем исследования спектра ошибок многолучевого распространения. Предложен метод расчета сдвига доплеровских частот ошибок многолучевого распространения на локальной контрольно-корректирующей станции для систем GPS pi ГЛОНАСС. Проведена оценка влияния скорости вращения Земли на уровень ошибок многолучевого распространения, исследовано влияние смещения приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника на ошибки многолучевого распространения, выполнен расчет по оценке диффузионной составляющей ошибки многолучевого распространения для систем GPS и ГЛОНАСС.

В четвертой главе проведено исследование известного метода прогнозирования черессуточной повторяемости ошибки многолучевого распространения на локальной контрольно-корректирующей станции для системы ГЛОНАСС и разработан метод расчета и прогнозирования доплеровских частот помех многолучевого распространения на борту маневрирующего воздушного судна с использованием реальных эфемеридных данных спутников GPS и ГЛОНАСС при комплексной обработке навигационных измерений.

В пятой главе представлены результаты экспериментального исследования спектров ошибок многолучевого распространения в каналах стандартной и высокой точности и сравнение спектров ошибок многолучевого распространения в системах слежения с узким коррелятором и коррелятором со сложной формой строба при использовании комплексной фильтрации в системе GPS и ГЛОНАСС.

На защиту выносятся следующие положения:

— оценку ошибки многолучевого распространения можно получить с помощью специального двухканального измерителя отношения сигнал-шум;

— сдвиг доплеровской частоты отраженного' сигнала зависит от его задержки и направленияприхода;

— результат комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы подобен применению коррелятора со специальной формой строба;

— прогнозирование положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки многолучевого распространения можно реализовать на основе эфемеридного расчетав аппаратуре потребителя систем GPS и ГЛОНАСС;

— ширина спектра ошибок многолучевого распространения зависит от длительности элементарного символа кода. Интенсивность спектра ошибок многолучевого распространения в области низких частот почти не зависит от длительности элементарного символа кода.

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

— 61 — 65-й научно-технических конференциях, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 — 2010 гг.

— 9-й конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб, ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2007 г.

— научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 — 2010 гг.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения. Она изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 77 рисунков, 1 таблицу, и содержит список литературы из 44 наименования, среди которых 22 отечественных и 22 иностранных авторов.

5.3 Выводы по главе.

1. Подтверждено экспериментально, что без использования комплексного фильтра в системе GPS ширина спектров ошибок МЛР в канале ВТ меньше, чем в канале СТ, так как более коротким элементарным символам кода в канале ВТ соответствуют ошибки МЛР с меньшим максимальным доплеровским сдвигом. Использование комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальности приводит к тому, что низкочастотная составляющая спектров ошибки MJIP в каналах СТ и ВТ отличается незначительно.

2. Подтверждено экспериментально, что при использовании комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальности различие между системами-ГЛОНАСС и GPS становится, незначительным, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности без использования комплексной кодо-фазовой фильтрации с постоянной времени 100 с на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составила 0.89 м, для спутника GPS в канале СТ — 0.46 м. При использовании комплексной фильтрации СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составила 0.28 м, для спутника GPS в канале СТ — 0.26 м.

3. Подтверждено экспериментально, что применение коррелятора со специальной формой строба вместе со снижением ошибок МЛР приводит к возрастанию широкополосной составляющей шумовой ошибки. Таким образом, при незначительном выигрыше от использования коррелятора со сложной фирмой строба по сравнению с узким коррелятором и комплексным фильтром помехоустойчивость в режиме работы с коррелятором со специальной формой строба снижается.

4. Таким образом, использование коррелятора со сложной формой строба в системах GPS и ГЛОНАСС становится оправданным только в случае снижения эффективности подавления помех МЛР в режиме работы с узким коррелятором и комплексной фильтрацией отсчетов псевдодальности, если удовлетворяются требования по помехоустойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По итогам проведенных исследований получены следующие научные результаты.

1. Предложен метод оценки? ошибок МЛР специальным измерителем на основе двухканального измерителя ОСШ с узкими стробами, который позволяет измерять ошибки МЛР при низком или нулевом сдвиге допле-ровской частоты ошибки МЛР, при котором нельзя использовать методы измерения ошибок МЛР полосовым, фильтром и корреляционным методом.

2. Установлена связь сдвига доплеровской частоты отраженного сигнала и его задержки при различном положении приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника.

3. Показано и подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы совместное использование узкого коррелятора и комплексного фильтра дает эффект подобный применению коррелятора со сложной формой строба.

4. Показано, что ширина спектра ошибок многолучевого распространения зависит от длительности элементарного символа кода. Подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы спектр ошибок МЛР в области низких частот в каналах СТ в системах ГЛОНАСС и GPS отличается незначительно, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. На основе экспериментальных данных для выбранных спутников ГЛОНАСС и GPS с близкими траекториями показано, что среднеквадратиче-ское отклонение разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составило 0.28' м, а для спутника GPS — 0.26 м. 5. Предложен метод расчета помех МЛР при комплексной обработке с использованием эфемеридных данных. При этом для оценки помех МЛР используется существующая программная часть навигационного приемника. На примере систем GPS и ГЛОНАСС показано, что при прогнозировании дисперсии, ошибок МЛР при комплексной обработке существенным оказывается учет направления оси изменения доплеровской частоты и положение области опасных низкочастотных ошибок МЛР. Расчеты для кодо-фазового фильтра с постоянной времени 100 с показали, что при расстоянии между приемной антенной и стабилизатором ВС, равным 25 м, дисперсия ошибки, создаваемой отражением от стабилизатора, при движении спутника изменяется в пределах от 0 до -20,4 дБ для GPS и от 0 до -23 дБ для ГЛОНАСС. Таким образом, в качестве альтернативы известным методам оценки ошибки МЛР при возможности изменения конструкции-навигационного приемника предлагается использовать специальный измеритель на основе двухканаль-ного измерителя ОСШ, который позволяет измерять ошибки МЛР при низком или нулевом сдвиге частоты ошибки МЛР.

На основе проведенного исследования спектра ошибок МЛР в спутниковой навигационной системе предложен метод прогнозирования положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки МЛР, который не требует существенного изменения программного обеспечения приемника. Предложенные методы можно использовать как в ЛККС, так и на борту ВС. Исследование влияния комплексной фильтрации навигационных измерений на ошибки МЛР показало, что применение коррелятора со специальной формой строба эффективно только при малых углах места спутника. Как следует из полученных результатов, цель, поставленная в работе, полностью достигнута.

Полученные результаты могут быть использованы:

— для определения дисперсии ошибок дифференциальных поправок в ЛКЕСС и измерений псевдодальности на борту ВС для реализации алгоритма предупреждения пилота о недопустимом снижении точности определения координат ВС при категорированном заходе на посадку по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы;

— для построения «карты помех» в ЛКЕСС с учетом низкочастотной составляющей ошибки МЛР;

— для оценки и прогнозирования опасных низкочастотных отражении при комплексной фильтрации навигационных данных на борту ВС.

Исследование целесообразно продолжить в следующих направлениях:

— экспериментальная проверка построения «карты помех» в ЛКЕСС с помощью специального двухканального измерителя ОСШ;

— экспериментальная проверка на борту ВС метода прогнозирования положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки МЛР на основе эфемеридных данных.

Исследования целесообразно продолжить на кафедре радиотехнических систем Санкт-Петербургского государственного университета «ЛЭТИ», а так же в закрытом акционерном обществе «ВНИИРА-Навигатор» (Санкт-Петербург).