Обеспечение требуемых навигационных характеристик широкозонных дифференциальных подсистем СРНС с учетом влияния нелинейности ретранслятора при решении задач УВД, навигации и посадки

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС (РФ), GPS (США) и Галилео являются наиболее надёжными, точными и перспективными средствами обеспечения навигации, посадки воздушных судов (ВС) и управления воздушным движением (УВД).

Используемые дифференциальные методы СРНС (ДвРБ), реализуемых в виде широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистем (ТТТДПС, РДПС и ЛДПС) СРНС, обеспечивают радиус действия соответственно до 6000,2000 и 200 км.

Для обеспечения большой рабочей зоны УВД для ТТТДПС СРНС и перераспределения связных ресурсов используются спутниковые системы связи (ССС) с многостанционным доступом с частотным, временным или кодовым разделением (МДЧР, МДВР или МДКР) сигналов. При УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), эффективность повышается с использованием бесконфликтных пространственно-временных траекторий в рамках создания автоматизированных систем (АС) УВД.

Стремление обеспечить полеты ВС в выгодных режимах приводит к повышению плотности движения в воздушных коридорах на кратчайших маршрутах и экономичных эшелонах, что требует совершенствования систем навигации, посадки, УВД и требует улучшения их взаимодействия, является сложной и актуальной задачей.

Обеспечение коррекции траектории движения ВС путем введения навигационных поправок в горизонтальную и вертикальную составляющие скорости, а также поправок на начало разворотов ВС позволяет существенно увеличить точность определения координат ВС.

Внедрение и совершенствование ТТТДПС СРНС, ССС совместное использование объединённых навигационно-связных систем (ОНСС) и АС УВД с АЗН особенно актуально при увеличении плотности ВС в воздушных коридорах, при появлении различных дестабилизирующих факторов, включая преднамеренное воздействие радиоэлектронных помех (РЭП).

Улучшение точностных навигационных характеристик, а также повышения достоверности и оперативности передачи данных можно достичь путём: — совершенствования технологии извлечения навигационной информации при определении координат ВС, объединения и интегрирования информационных потоков, комплексирования СРНС систем УВД и ССС, с инерционными навигационными системами (ИНС), минимизации среднеквадра-тических ошибок (СКО) определения координат ВС, возникающих в из-за влияния комплексной нелинейности ретранслятора и воздействия РЭП- -совершенствования радиоэлектронной аппаратуры, оптимизации параметров каналов связи и снижения влияния комплексной нелинейности РТР. В ТТТДПС, РДПС и ЛДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео, объединённых системах навигации и связи (ОСНС), УВД с АЗН и автоматизированных системах (АС) УВД используются спутниковые технологии с ретрансляцией сигналов с применением цифровых радиотехнических систем передачи навигационных данных и корректирующих навигационных поправок.

Одной из ключевых позиций данных систем, является то, что для существенного увеличения дальности их функционирования (высокоточного навигационного обеспечения ВС, УВД и на максимально протяжённых трассах на всех этапах полёта, включая посадку), используются ретрансляторы (РТР), установленные на космических летательных аппаратах (KJIA).

Усилители мощности передатчиков ретрансляторов выполняются на лампах бегущей волны (ЛБВ) и клистронах, биполярных и полевых СВЧ транзисторных сборках. Данные устройства имеют существенную нелинейность амплитудной и значительную неравномерность фазоамплитуд-ной односигнальных передаточных характеристик (АХ и ФАХ), которые проявляются в нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразованиях. АМ/ФМ преобразования называют так же амплитудно-фазовой конверсией (АФК). Совокупность нелинейных передаточных характеристик АХ и ФАХ образует единую комплексную нелинейность, а такие устройства называют устройствами с комплексной нелинейностью (УКН).

Данные явления искажают сигналы навигационного обеспечения (НО). При прохождении большого количества сигналов (многочастотной работе) через ретранслятор с комплексной нелинейностью возникают различные нелинейные эффекты: снижение выходной полезной мощности РТРподавление в РТР сильными сигналами слабыхпоявление на выходе РТР кратных и комбинационных продуктовчасть, из которых попадает в полосы частот полезных сигналов и образует продукты интермодуляционных искажений (ИМИ) 3-го порядкаИМИ-31, ИМИ-32 и продукты ИМИ 5-го порядка ИМИ-51 ,., ИМИ-56.

Для количественной оценки влияния нелинейности РТР на показатели качества систем СРНС и ССС в многосигнальном режиме необходимо одновременно в совокупности учитывать совместное влияние двух нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований в РТР. Среди функциональных, электродинамических и др. методов наиболее перспективны квазистатические методы, учитывающие совместное влияние нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований в РТР. Они тесно взаимосвязаны между собой и в совокупности влияют на интенсивность продуктов ИМИ, описывают модуль и фазу комплексного коэфф. передачи.

В квазистатических методах, для исследований мощности полезных сигналов и продуктов ИМИ в многосигнальном режиме используются передаточные характеристики АХ и ФАХ, полученные в односигнальном режиме. Правомерность применения для ТТТДПС СРНС, ССС и АС УВД с АЗН од-носигнальной гипотезы, требует экспериментального подтверждения.

Исследованию спутниковых систем радионавигации, УВД и связи посвящены работы школ: B.C. Шебшаевича, М. СЯрлыкова, Г. А. Крыжановского, П. В. Олянюка, А. И. Козлова, В.Д.РубцоваЛ.В.Когновицкого, В. А. Борисова.

— 10.

ЦЕЛИРАБОТЫ.

1. Разработка и совершенствование методов, средств и систем обеспечения требуемых навигационных характеристик ШДПС СРНС, посадки ВС и систем УВД с АЗН на основе спутниковых технологий за счёт минимизации погрешностей измерений и минимизации энергетических потерь, путём оптимизации каналов передачи навигационных данных, корректирующих поправок и информации о состоянии целостности системы за счёт снижения влияния комплексной нелинейности (АМУАМ и АМ/ФМ преобразований) в спутниках ретрансляторах и в приёмниках аппаратуры потребления ВС и контрольно-корректирующих станций.

2. Повышение безопасности и надёжности полётов ВС, точности местоопре-деления и посадки ВС за счёт повышения эффективности функционирования ШДПС СРНС и УВД с АЗН и обеспечения требуемых навигационных характеристик целостности, непрерывности и достоверности навигационно-временного обеспечения. Разработка методов снижения влияния комплексной нелинейности РТР и АП ВС на показатели качества каналов передачи навигационных данных и корректирующей информации (поправок).

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести анализ и разработку методов повышения эффективности навигационного обеспечения (НО) ВС и УВД на основе штатного навигационного оборудования, комплексируемого с СРНС, ССС и с ИНС. Дать оценку повышения эффективности НВО на основе ШДПС СРНС с учётом полноты орбитальной группировки космических аппаратов и уменьшения влияния мешающих факторов на всех этапах полета, включая полёты на малых высотах.

2. Разработать для исследования качества функционирования каналов передачи данных ШДПС СРНС и ССС, используемых для навигации ВС и УВД, методы анализа нелинейных приёмо-передающих устройств и систем. Произвести математическое и полунатурное моделирование систем с РТР, экспериментальную оценку точности расчетов каналов передачи данных, оценку правомерности и корректности использования квазистатического метода характеристических функций при исследовании влияния нелинейности РТР на СРНС. Разработать методы количественной оценки влияния нелинейности РТР на помехоустойчивость и пропускную способность ШДПС СРНС, систем УВД и ССС, а так же методы оценки ухудшения параметров систем при воздействии радиоэлектронных помех на нелинейный ретранслятор и АП ВС.

3. Разработать методы оптимизации параметров, обеспечивающие повышение эффективности СРНС и ССС по критерию обеспечения максимальной помехоустойчивости каналов передачи данных с учётом уменьшения влияния нелинейности ретранслятора, выбора режима работы ретранслятора, видов модуляции, кодирования, расстановки частот, ограничений на полосу частот и выходную мощность ретранслятора. Разработать способы уменьшения влияния нелинейности ретранслятора и действий радиоэлектронных помех на достоверность передачи навигационных данных и корректирующих поправок.

— 11.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Анализ методов радионавигационного обеспечения навигационных ^ определений воздушных судов дальномерный, псевдодальномерный, ф разностно-дальномерный, радиально-скоростной (доплеровский), псев-дорадиально-скоростной, разностно-радиально-скоростной, комбинированные методы. Метод наименьших квадратов, конечные и итерационные методы (метод последовательного приближения).

Исследованы дифференциальные методы с коррекцией координат аппаратуры потребителей воздушных судов, с относительными координатами, с использованием псевдоспутников, с разностной коррекции навигационных параметров.

Использованы методы системного анализа, математического моделирования с применением современных вычислительных методик на ЭВМ, полунатурного моделирования на экспериментальной СВЧ установке.

Разработанный и экспериментально подтверждённый квазистатический метод характеристических функций, основанный на бесселевой аппроксимации односигнальных передаточных амплитудных и фазоам-плитудных характеристик нелинейных устройств. Метод двойного преобразования Фурье. Нахождение коэффициентов бесселевой и полиномиальной аппроксимации методом Давидона-Флетчера-Пауэлла. ф Методы интегро-дифференциальных уравнений, интегро-степенных рядов Винера — Вольтерра, комплексного коэффициента передачи параметрически зависящего от амплитуды входного сигнала, метод модулирующих функций. Квазистатические методы раздельно и совместно учитывающие влияние АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований.

Теория передачи информации и теория нелинейных преобразований сигналов, теория передачи многопозиционных {2- 4- 8- 16- 32 и 64} частотнои фазоманипулированных сигналов, теория помехоустойчивого кодирования.

Рассмотрены помехоустойчивые циклические коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) имеющие наилучшие характеристики декодирования.

• в каналах с независимыми ошибками, рассмотрены лучшие из известных коротких свёрточных кодов, предназначенных для декодирования по алгоритму Витерби с гибким решением на выходе демодулятора, оптимальные по критерию максимального свободного расстояния.

• ПОЛУЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Проведен системный анализ перспектив использования ШДПС СРНС для решения задач навигации воздушных судов на всех этапах полета, включая полеты на малых высотах и посадку, с учетом полноты орби.

• тальной группировки космических аппаратов и влияния комплексной нелинейности спутника-ретранслятора.

При этом выполнены следующие исследования:

— проведен сравнительный анализ высокоточныхразностно-дальномерных алгоритмов определения координат ВС при решении навигационных задач с использованием ШДПС СРНС, комплексированных с каналами передачи корректирующей информации УВД с АЗЫ, ОСНС и ССС;

— на основе разработанной математической модели спутниковых каналов передачи данных и поправок, многолучёвости распространения сигналов ШДПС СРНС при полетах ВС по трассе, на малых высотах и посадке, синтезирован квазиоптимальный алгоритм обработки навигационной информации и получены расчетные соотношения для определения погрешности оценки навигационного обеспечения ВС в ШДПС СРНС в условиях наличия комплексной нелинейности ретранслятора и воздействия мощных широкополосных радиоэлектронных помех;

— с использованием аппарата квазистатических методов произведен расчет энергетических параметров спутниковых цифровых каналов передачи данных и корректирующих поправок ШДПС СРНС систем УВД с АЗН- -на основе разработанных методов, учитывающих влияние нелинейности РТР путём математического и полунатурного моделирования дана оценка улучшения энергетических характеристик каналов передачи данных и точностных параметров ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео и ССС;

— выведены расчетные соотношения для определения необходимой периодичности корректировки навигационных характеристик и местоположения ВС при автоматическом режиме полета с использованием курсо-доплеро-вских навигационной системы с позиционным корректором в виде приёмопередатчика РТР сигналов СРНС, дана оценка качества навигационного обеспечения ВС с использованием СРНС при полетах по трассе и посадке.

2. Разработан сравнительно простой и достаточно точный экспериментально подтверждённый квазистатический метод характеристических функций, основанный на бесселевой аппроксимации передаточных односигнальных характеристик АХ и ФАХ нелинейных устройств.

В результате анализа известных методов определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора с существенно нелинейными характеристиками АХ и ФАХ по основным показателям качества сложности, точности, перспективности, универсальности и доступности. Установлено, что:

— квазистатические методы обладают перспективностью и в наибольшей степени подходят для исследования влияния комплексной нелинейности РТР на показатели качества функционирования ШДПС СРНС и ССС;

— метод универсален и применим для исследований различных по принципу работы приёмопередающих устройств с существенной нелинейностью односигнальных передаточных характеристик ретранслятора АХ и ФАХ;

— метод апробирован для исследований различных ретрансляторов ШДПС СРНС и ССС на ЛБВ, клистронах, биполярных и полевых СВЧ транзисторах.

— 133. Экспериментально подтверждена правомерность применения квазистатических методов, использующих односигнальные передаточные характеристики АХ и ФАХ нелинейных СВЧ устройств, для определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора в многосигнальном режиме.

Произведено экспериментальное подтверждение правомерности использования и дана оценка точности квазистатических методов расчета в многосигнальном режиме мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией по его передаточным характеристикам АХ и ФАХ, полученным в односигнальном режиме.

4. Разработана методика и дана количественная оценка влияния комплексной нелинейности ретранслятора на величину энергетического проигрыша каналов передачи навигационных данных и корректирующих поправок ТТТДПС СРНС и ССС, а так же автоматизированных систем УВД с АЗН.

Определено, что нижняя граница энергетического проигрыша pmin систем ТТТДПС СРНС для разных типов сигналов, кодов и используемых типов ретрансляторов имеет значение не 6−8 дБ, как это указывается в справочниках по спутниковой связи, а составляет величину при равномерной расстановке частот pmin=2,2.2,5 дБ, а при квазиоптимальной неравномерно-групповой расстановке частот рт|"=1,4.1,б дБ. Установлено, что чем больше у выбранных сигналов отношение удельных затрат полосы к удельным затратам энергии, тем меньше величина энергетического проигрыша канала передачи данных ШДПС СРНС. 5. Предложены методы оптимизации параметров спутниковых каналов передачи данных коррекции координат воздушных судов ТТТДПС СРНС, ССС и объединённых систем навигации и связи по критерию обеспечения максимальной пропускной способности (или помехоустойчивости) ретранслятора.

Учитывается одновременно взаимное влияние между собой целого ряда параметров: комплексной нелинейности ретранслятора АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований, рабочей точки и режима работы усилителя мощности передатчика ретранслятора, используемого вида сигнала, модуляции и кодирования, энергетики канала связи, неравномерной расстановки частот, ограничениях на выходную мощность ретранслятора, полосу частот и нестабильности частот сигналов. Предложены квазиоптимальные неравномерно-групповые расстановки частот в спутниковых каналах передачи навигационных данных и поправок, обеспечивающих оптимальное использование энергетических и частотных ресурсов ТТТДПС СРНС и ССС.

Разработана методика повышения эффективности функционирования спутниковых систем ШДПС СРНС ГЛОНАСС, Галилео при различных видах модуляции и кодирования сигнала за счёт уменьшения влияния комплексной нелинейности ретранслятора на достоверность передачи навигационных данных и корректирующих поправок.

ПРАКТИЧЕСКАЯЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют существенно повысить:

1. Безопасность и надёжность полетов Воздушного судна за счёт увеличения достоверности точность местоопределения ВС целостности и непрерывности навигационного обеспечения ШДПС СРНС, позволяющих увеличить вероятность нахождения ВС в границах воздушного коридора;

Точность обеспечения навигационные характеристики ВС по стандартным траекториям на всех этапах полета по маршруту включая посадку, за счёт снижения влиянием нелинейности ретранслятора, внедрения автоматизированной системы УВД с АЗН и комплексирования СРНС с др. НСТочностные характеристики, НО путем передачи корректирующих поправок по каналам с минимальным влиянием нелинейности ретранслятора;

2. Достоверность передачи корректирующих навигационных поправок и данных по спутниковым каналам связи ШДПС СРНС, УВД за счет уменьшения энергетических потерь и влияния комплексной нелинейности ретранслятора (АМ/ФМ преобразований и продуктов ИМИ):

— путем использования оптимальных и квазиоптимальных неравномерно-групповых расстановок частот, уменьшающих попадание продуктов ИМИ;

— оптимального режима работы РТР по среднему значению входной мощности РТР, обеспечивающего минимальную величину энергетического проигрыша;

— оптимальных сигналов с использованием помехоустойчивых сверточных кодов позволяющих полностью использовать энергетические и частотные ресурсы.

3. Точность навигационных характеристик и параметров ШДПС СРНС, посадки ВС и АС УВД с АЗН путём оптимизации каналов передачи данных и корректирующих навигационных поправок о состоянии целостности системы, за счёт обеспечения:

— снижения влияния нелинейности РТР АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований;

— минимизации ошибок при передаче данных и погрешностей навигационных измерений возникающих в ретрансляторе и в приёмнике на борту ВС из-за несовершенства и из-за воздействия радиоэлектронной аппаратуры;

4. Точность расчётов навигационных поправок с помощью квазистатического метода и проблемно-ориентированных программ, оценки влияния нелинейности РТР на показатели качества СРНС ГЛОНАСС, ОРБ, Галилео и автоматизированных систем УВД с автоматически зависимым наблюдением:

— надёжности, безопасности, достоверности, целостности, непрерывности системы.

— использование разработанного метода и ППП позволяет создавать высокоэффективные системы СРНС и ССС, производить оптимизацию каналов связи по критерию обеспечения максимальной помехоустойчивости и пропускной способности канала передачи данных и навигационных поправок.

— 155. Практическое значение имеет также методика создания СВЧ установки, предназначенной для экспериментальных исследования полунатурной модели ТНДПС СРНС ССС с МДЧР и с МДВР, а также исследование нелинейных приёмо-передающих СВЧ устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией в многочастотном режиме. Разработаны методы и представлены экспериментально результаты:

— проведены расчётные и экспериментальные исследования более 30 типов СВЧ усилителей мощности, передатчиков РТР СРНС и ССС, выполненных на ЛБВ, клистронах и СВЧ транзисторах (РВЫХ=М0.80 Втfc=0,4.4,0 ГГц), -совместного измерения нелинейных характеристик АХ и ФАХ РТР при значениях входной мощности более чем на 13 дБ превышающих режим насыщения;

— измерения мощности и количества продуктов ИМИ 3-го и 5-го порядка при 2−8 сигналах попадающих в полосу частот одного полезного сигнала.

6. В результате оптимизации параметров каналов передачи данных и корректирующих поправок, по которым передаются на ВС, через нелинейный ретранслятор систем ШДПС СРНС и ССС установлено, что:

— уменьшается количество продуктов интермодуляционных искажений в полосе частот полезных сигналов за счёт оптимальноё или квазиоптимальной неравномерно-групповой расстановки частот ЗС- -минимизации энергетических потерь pmin=l, 3.1,5 дБ (возникающих из-за наличия нелинейности РТР), за счёт выбора оптимальной рабочей точки усилителя мощности передатчика РТР, вида доступа сигналов к РТР, типа модуляции и кодирования сигналов можно увеличить энергетику и помехоустойчивость канала (отношения Рс/Рш на 6.8 дБ), или при той же самой помехоустойчивости увеличить на 40−60% пропускную способность каналов связи, что и обеспечивает существенное (более чем на порядок) увеличение требуемых точностных характеристик, определения координат ВС порядка 0,2.0,3 м. При малой энергетике канала связи целесообразно использование помехоустойчивых сверточных коды.

Если же используются сигналы с большим требуемым отношением удельных затрат Ре/Рг (ФМ-4, ФМ-8, ФМ-16), то целесообразно сочетать эти виды сигналов с неравномерно-групповой расстановкой частот.

7. Структурные схемы ретрансляторов, обеспечивающие увеличение помехоустойчивости систем на 6 дБ, за счёт оптимального режима работы и загрузки ретранслятора, неравномерно-групповой расстановки частот ЗС, адаптивных компенсаторов нелинейностей АМУАМ, АМ/ФМ преобразований, коррекции передаточных характеристик ретранслятора ШДПС СРНС и ССС.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ: — соответствием основных теоретических результатов экспериментальным;

— корректным применением современного математического аппарата;

— совпадением полученных результатов с ранее известными результатами;

— точностью расчетов квазистатического метода порядка 0,1.0,2 дБ;

— актами о внедрении научных и практических результатов работы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Методы навигационных определений и алгоритмов обработки навигационной информации в СРНС, позволяющие ослабить влияние комплексной нелинейности РТР ШДПС СРНС на точность местоопреде-ления ВС при решении НЗ. Технические предложения по комплекси-рованию СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи и ИНС, обеспечивающему реализацию перспективных для решения НЗ, в том числе и категорированной посадки ВС методов НО.

2. Разработанный и экспериментально подтвержденный квазистатический метод характеристических функций определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе различного класса СВЧ устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией. Экспериментально подтверждена корректность и правомерность использования квазистатического метода характеристических функций. Методика и результаты экспериментального измерения характеристик АХ и ФАХ и ИМИ.

3. Методы и результаты оценки и уменьшения влияния комплексной нелинейности РТР на величину энергетического проигрыша канала передачи корректирующих поправок ШДПС СРНС ССС с МДЧР, с учетом выбора оптимального сигнала и режима работы РТР. Произведена оценка энергетического проигрыша из-за влияния нелинейности ретранслятора и воздействия радиоэлектронных помех на ретранслятор ШДПС СРНС и ССС.

Подтверждено, что чем больше у сигналов отношение удельных затрат полосы к энергии Р^Ре" тем меньше энергетический проигрыш реальной системы по сравнению с идеализированной.

Установлено, что благодаря оптимизации системы энергетический проигрыш из-за нелинейности ретранслятора может составлять величину не 6.8 дБ, а получить минимально достижимая величину энергетического проигрыша порядка 1,5 дБ. При этом энергетический выигрыш в увеличении помехоустойчивости канала оптимизированной системы может составлять величину порядка 4,5.6,5 дБ.

4. Методы и результаты оптимизации параметров ШДПС СРНС по критерию повышения помехоустойчивости и обеспечения максимальной пропускной способности с учетом влияния нелинейности РТР, вида сигнала, кодирования, энергетики канала связи, расстановки частот.

5. Методы ослабления влияния нелинейности ретранслятора на достоверность передачи данных и корректирующих навигационных поправок.

Методы минимизации энергетического проигрыша по критерию обеспечения повышения точностных навигационных характеристик СРНС, при энергетических и частотных ограниченных канала связи.

ВНЕДРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Результаты диссертационной работы внедрены на Государственных предприятиях, опубликованы в 15 отчётах НИР и подтверждены 6 актами о внедрении: -Ленинградский НИИ «Радиоприборы. НЭТИ. 1978 г. Тема «Шпилька» — -Московский НИИИРадиосвязи (МНИИИPC) 1981 г., Гос. per. № 158/81- -Росс.НИИ Космического приборостроения (РНИИКП), 1983, Гос.рег. № 161/83- -Ракетно-космическая корпорация (РКК) «Энергия», 1989 г. Королёв;

— в/ч93 901 М.О., 1996. Тема Годограф- 1993;2005 ЦНИИ Радиосвязь, г. Королёв;

— 16 ЦИНИИ Минобороны, 1998. Тема" Кулон" - ФГУП «Комета» .

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВРАБОТЫ Разработанные методы, технологии и расчётно-аналитические результаты иссле-дованний апробированы при оценке эффективности обеспечения навигационных характеристик различных ПТДПС СРНС, ССС и АС УВД с АЗН.

Основные положения и результаты были доложены автором в период с 1974 по 2005 г. на Межд. НТК, семинарах, отражены в 11 тезисах докладов: -5-ая Межд. НТК, НТО РЭС А. С. Попова, 12−14.03.03. Цифровые РТСПИ;

— Межд. НТК, МГТУ ГА, 17−18 апр. 2003. Гражданская авиация на современном этапе развития науки и техники. Сек. 6. Перспективы ТЭ РЭА;

— Всесоюзная НТК, ОЭИС, 23−27 сентября. 1986 г. Одесса. Цифровые ССС;

— между. НТК, МГТУ МАМИ, 21−23окт. 2002. Сочи. Оптимизация РЭА.

Материалы докладывались и обсуждались на НТС в организациях.

1. Академии Гражданской Авиации, Вычислительном центре РАН, Академии РВСН, Академии оборонных отраслей промышленности;

2. Предприятиях военно-промышленного комплекса (ВПК): Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С, П. Королёва, Российском НИИ Космического приборостроения, Московском НИИ «Радиосвязь», 16 Центральном испытательном НИИ, Моск. КБ «Компас», НИИ «Часпром», ГУП «Мосгортранс», ЦНИИ «Радиосвязь» (Королёв), ОКБ МЭИРИРВ, «Полёт» ,.

3. ВУЗы: МГТУ ГА, Академии ГА, МИРЭА, МВТУ, МГУСИ, НЭТИ, НЭИС.

АКТЫ О ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Теоретические и экспериментальные результаты, методы и программы диссертационной работы использованы и внедрены в НИОКР, производственных и учебных работах и подтверждены 9 актами о внедрении: ГП Ракетно-космическая корпорация (РКК) «Энергия», ФГУП Центральный НИИ «Комета», ОАО Московское конструкторское бюро (МКБ) «Компас», Центральный НИИ «Радиосвязь», ГОУ МАРТИТ, МГТУ Гражданской авиации, НОРИС, НИИ Часпром, Гипросвязь.

ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты диссертации опубликованы в 67 работах, в том числе 55 статей, из которых 40 статей рекомендованных по списку ВАК в том числе 15 статей в центральных изданиях ВАК, 11 тезисов докладов Межд. НТК, получено 1 авторское свидетельство на изобретение. Кроме этого 23 статьи депонировано в ВИНИТИ РАН РФ и опубликовано 15 отчётов НИР с Гос. per.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы из 205 наименований и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 296 стр. текста, 70 рис., 50 табл. и 6 актов о внедрении результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация направлена на решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение научно-технической проблемы совершенствования методов и средств навигационного обеспечения воздушных судов (ВС) и обеспечения требуемых навигационных характеристик в широкозонных дифференциальных подсистемах (ШДПС) СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео при решении задач навигации, посадки ВС и управления воздушным движением (УВД) путём снижения влияния комплексной нелинейности ретранслятора (РТР) в спутниковых каналах передачи данных и корректирующих навигационных поправок.

Обеспечение повышения надёжности и безопасности полётов ВС, увеличение достоверности, непрерывности и целостности навигационных характеристик ШДПС СРНС путём уменьшения влияния комплексной нелинейности ретранслятора, является актуальной научно-технической проблемой при решении задач УВД, навигации и посадки воздушных судов.

Существенное повышение точности местоопределенияВС более чем на порядок улучшение обеспечения требуемых навигационных характеристик ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео возможно за счёт уменьшения влияния комплексной нелинейности ретранслятора (АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований) системных и аппаратурных погрешностей, оптимизации параметров и характеристик канала передачи данных и корректирующих навигационных поправок.

В результате исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Исследованы высокоточные алгоритмы относительных навигационных определений пространственных координат и углового положения воздушного судна (ВС) на основе разностно-дальномерных измерений с дискретным каналом передачи корректирующих поправок и ретранслятором радионавигационного поля ШДПС СРНС. Разработана математическая модель спутниковых каналов передачи навигационных данных и поправок. Получены соотношения для определения:

— требований к параметрам ретранслятора навигационного поля ШДПС СРНС для решения задач и коррекции навигационных определений координат ВС.

— характеристик спутниковых каналов передачи данных и поправок ШДПС СРНС УВД с АЗН в условиях прохождения через нелинейный РТР модулированных сигналов.

— энергетических и фазовых характеристик сигналов на входе приёмника АП ВС системы ШДПС СРНС при прохождении сигналов коррекции через нелинейный ретранслятор;

— погрешности квазиоптимальной оценки псевдодальности в ШДПС СРНС в условиях приема корректирующих сигналов через нелинейный ретранслятор;

— периодичности корректировки местоопределения ВС и увеличения продолжительности полета в автоматическом режиме, погрешностями навигационного оборудования.

2. Разработан универсальный квазистатический метод характеристических функций определения спектра на выходе ретранслятора с комплексной нелинейностью систем ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS, Галилео и АП ВС, основанный на бесселевой аппроксимации передаточных амплитудных и фазоамплитудных характеристик (АХ и ФАХ) нелинейного усилителя мощности передатчика ретранслятора, установленного на навигационном космическом аппарате.

В результатерасчётнсьаналитическихэкспфиментальньк исследований установлено, что:

— среди различных электродинамических, функциональных, квазистатических и других методов, с точки зрения применимости их для решения задач навигационных определений, категорированной посадки ВС и УВД наиболее перспективны для исследований каналов с нелинейным ретранслятором квазистатические методы;

— метод применим для анализа спутниковых каналов навигационного обеспечения, посадки и УВД ШДПС СРНС и ССС, транслирующие навигационные поправки ВС;

— метод позволяет исследовать различные по принципу работы СВЧ устройства, обладающих существенной нелинейностью амплитудных и фазоамплшудных характеристик, выполненных на ЛБВ, клистронах, биполярных и полевых транзисторах;

— метод доведён до практического применения и не требует специальной подготовки;

— получены простые инженерные формулы для вычисления мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений Р</Рими на входе РТР и АП на ВС;

— разработаны диалоговые, адаптивные, проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ на стандартных языках программирования на ЭВМ IBM-PC- - метод позволяет оптимизировать параметры канала передачи данных ШДПС СРНС АС УВД с АЗН по критерию обеспечения требуемых навигационных характеристик.

3. Впервые произведена экспериментальная оценка точности и экспериментально подтверждена правомерность и корректность применения (односигнальной гипотезы) квазистатического метода характеристических функций расчета отношения мощности полезных сигналов к мощности продуктов интермодуляционных искажений Р (/Рими корректирующих навигационных поправок и данных на выходе РТР ШДПС СРНС в многосигнальном режиме по передаточным характеристикам АХ и ФАХ РТР, полученным в односигнальном режиме. Разработана и создана «Экспериментальная СВЧ установка» полунатурной модели ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и ССС. Разработаны принципы и методы, позволяющие экспериментально исследовать влияние комплексной нелинейности ретранслятора. Установлено, что: -полученная точность расчётов Рс/РИМи разработанного метода соизмерима с погрешностью измерительных приборов и составляет величину 0,1.0,2 дБ- -разработанный квазистатический метод применим для исследований различных по принципу работы приёмо-передающих устройств, СВЧ усилителей мощности реальных ретрансляторов на ЛБВ, клистронах и СВЧ транзисторах;

— при более 10 сигналах на входе суммарная общая мощность всех наиболее интенсивных продуктов ИМИ-32 с учётом их количества на 9.2 дБ интенсивнее всех продуктов ИМИ-56 и на 18.20 дБ интенсивнее всех продуктов ИМИ-31;

— совместных односигнальных передаточных характеристик АХ и ФАХ нелинейных устройств, при повышенных значениях на 13 дБ мощности сигнала на входе;

— метод позволяет рассчитывать мощности продуктов ИМИ 3-го и 5-го порядков (ИМИ-31, ИМИ-32 и ИМИ-51. .ИМИ-56) при 2. .10 ООО сигналов и более.

4. Впервые разработана методика оценки влияния комплексной нелинейности ретранслятора на показатели качества каналов передачи навигационных поправок данных систем СРНС. Определена минимально достижимая величина энергетического проигрыша спутниковых каналов передачи данных систем навигации, посадки и УВД ШДПС СРНС и ССС с реальным нелинейным ретранслятором с АМ/АМ, АМ/ФМ преобразованиями по сравнению с идеализированным линейным РТР без учета АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований.

Установлено, что: — энергетический проигрыш Р канала передачи данных из-за влияния реального РТР с комплексной нелинейностью СРНС ГЛОНАСС и ССС МДЧР по сравнению с идеализированной, составляет не 6. .8 дБ, a p=pmin=2 дБ, -при неравномерной расстановке частот проигрыш равен P=P2=Pmin= 1,5.1,8 дБ. — чем больше у сигнала отношение удельных затрат полосы к энергии Pf/PE (на передачу одной двоичной единицы информации при заданной скорости и вероятности ошибки) тем меньше величина энергетического проигрыша pmin реальной системы ШДПС СРНС с нелинейным РТР по сравнению с идеализированной системой с линейным РТР;

— если по условиям работа системы ШДПС СРНС, ССС требуются сигналы с малым отношением удельных затрат рЕ /Pf, (например, требуется создать надёжную и недорогую СРНС при относительно малых энергетических ресурсах и относительно больших ресурсах полосы), то энергетический проигрыш СРНС ГЛОНАСС (МДЧР) по отношению к идеализированным системам невелик и целесообразно отдать предпочтение СРНС ГЛОНАСС (МДЧР), чем GPS (МДВР) — -СРНС ГЛОНАСС по отношению к GPS более предпочтительны с точки зрения обеспечения требуемых навигационных характеристик, надёжности, экономичности и живучести к воздействию преднамеренных радиоэлектронных помех или воздействию террористов на разрушение информационных каналов СРНС и УВД;

— если в канале связи систем ШДПС СРНС и ССС большие ресурсы энергетики и малые ресурсы полосы, то можно применять, многопозиционные сигналы с малым отношением Р/Ре (ФМ-32, ФМ-16, ФМ-8, и ФМ-4), и целесообразнее использовать СРНС GPS, ССС с МДВР, т.к. он дает достаточно большой выигрыш в пропускной способности по сравнению с СРНС ГЛОНАСС, ССС с МДЧР;

— усилители мощности РТР с ЛБВ на 3−5 дБ лучше характеристики Р0/Р32, чем с ШТУМ- -определено, что энергетический проигрыш реальной нелинейных каналов передачи навигационных поправок ШДПС СРНС ГЛОНАСС и ССС с МДЧР по отношению к идеализированным системам СРНС тем меньше, чем больше для используемых сигнала отношение удельных затрат полосы к энергии Р/Ре-5. Разработана методика оценка влияния неравномерной расстановки частот сигналов ЗС на показатели качества каналов СРНС ГЛОНАСС и ССС с учётом влияния нелинейности ретранслятора и рекомендации целесообразности использования оптимальных, квазиоптимальньгх неравномерно-групповых расстановок частот, обеспечивающих минимальный проигрыш канала связи. Определено, что в ШДПС СРНС: -наиболее целесообразно вводить неравномерную расстановку частот, при использовании сигналов с узкополосными видами модуляции, что сигналы ФМ-8, ФМ-4 и ФМ-2 и оказываются в числе наилучших, чем с помехоустойчивыми свёрточными или циклическими кодами, при большой энергетике канала «а» .

— оптимальные и квазиоптимальная неравномерно-групповые расстановка частот позволяют снизить уровень интермодуляционных искажения увеличить помехоустойчивость Ро/Рими и минимизировать проигрыш Pmin каналов связи на 4.6 дБ.

— это позволяет при сохранении заданной помехоустойчивости канала связи СРНС обеспечить увеличение пропускной способности РТР более чем на 40−60%.

6. Разработана методика и произведена количественная оценка влияния комплексной нелинейности ретранслятора систем ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Гали-лео, ССС с МДЧР и с МДВР при воздействии мощных широкополосных радиоэлектронных помех на ретранслятор и аппаратуру потребителя ВС.

Установлено, что: с увеличением мощности помехи, с ростом У вх=(Рг/Рс)вх ={ 1- 2- 4- 8 и 16} минимальные значения величины коэффициента потерь увеличиваются (3min {4,6- 8,11 и 14} дБ и смещаются к меньшим значениям режима работы РТР по входной мощности Рвх. ср, что снижает пропускную способность канала связи с РТР, а диапазон минимальных значений сужается, а это снижает помехоустойчивость канала- -дополнительные продукты ИМИ-31П (2fn-fj) по мощности пропорциональны отношению ^вх^Рп/РсЭвхВО 2-ой степени, а ИМИ-32П (fn+fi-fj) в 1-ой степени, и с ростом ^в^Рп/Рс^ наблюдается увеличение мощности ИМИ-31П над ИМИ-32П. 7. Разработана методика выбора оптимальных параметрах системы ШДПС СРНС GPS, ГЛОНАСС и Галилео, режима работы передатчика ретранслятора (уровня входного сигнала), видах модуляции и кодирования сигналов, неравномерно-групповой расстановке частот сигналов ЗС линеаризации АМ/АМ и компенсации АМ/ФМ преобразований, энергетики канала связи (конструкций антенн, мощности передатчика, чувствительности приёмника).

Установлено, что при оптимально выбранных параметрах системы ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео, уменьшение влияния нелинейности ретранслятора, комплексирования с ОСНС и ИНС можно более чем на порядок улучшить обеспечение требуемых навигационных характеристик целостность и непрерывность за счёт максимизации помехоустойчивости канала передачи данных и увеличить пропускную способность РТР, надёжность и безопасность полётов ВС УВД.

Установлено, что полученные методики оценки и минимизации влияния нелинейности РТР позволяют обеспечить требуемые навигационные характеристики в ШДПС СРНС максимизировать пропускную способность ретранслятора за счет оптимальных неравномерно-групповых расстановок частот, режима работы РТР (уровня входного сигнала), при оптимальных видах сигналов (модуляции и кодирования), и расстановки и нестабильности частот неравномерно-групповой расстановке частот сигналов ЗС линеаризации и компенсации АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований, энергетики канала связи (конструкций антенн, мощности передатчика ретранслятора, чувствительности приёмника АП ВС, дальности связи).

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлено, что, можно существенно повысить точности местоопределения ВС с помощью ШДПС СРНС ГЛОНАСС и GPS возможно за счёт уменьшения влияния нелинейности РТР, компенсации нелинейности РТР (АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований), оптимизации параметров и характеристик РТР, что позволяет практически полностью исключить влияние системных погрешностей, включая погрешности вызванных нелинейностями ретранслятора, проявляющихся в виде продуктов интермодуляционных искажений.

2. Совместное использование ШДПС СРНС, ОНСС и АС УВД с АЗН существенно повышает точность обеспечения навигационных характеристик ВС, обеспечивает снижение на 1−2 порядка вероятности выхода ВС за границы воздушного коридора и столкновения ВС. Это позволяет сократить объем информационных потоков, связанных с коррекцией траектории ВС, и примерно на 40.60% уменьшить коэффициент загруженности диспетчера УВД, а совмещение передачи навигационных данных и корректирующих поправок позволяет дополнительно передавать данные по совмещенному каналу.

— 2843. Использование ШДПС СРНС, ОСНС, УВД с АЗН повышает точность обеспечения навигационных характеристик ВС как трассовой навигации, так и полетов в аэродромной зоне при заходе на посадку и при полетах по «жестким» траекториям в зонах вылета и прилета ВС, а также для обеспечения маршрутных полетов на местных воздушных линиях 1-й и 2-й категорий и недостаточна без комплексирования с другими средствами, обеспечивающими повышение точности, для обеспечения посадки ВС.

Уменьшение влияния нелинейности ретранслятора СРНС ГЛОНАССЛЗРБ, современное состояние орбитальной группировки НКА, комплексирование и другими средствами навигации ОСНС и ИНС более чем на порядок обеспечивает увеличение точности навигационных характеристик ВС, целостность и непрерывность навигационного обеспечения ВС, что существенно увеличивает надёжность УВД и безопасность полётов ВС.

4. Разработан алгоритм выбора оптимального сочетания источников навигационной информации, обеспечивающего максимальную точность местоопределе-ния в комплексированных навигационных системах. Установлено, что:

— комплексирование высокоточных СРНС с ОСНС позволяет существенно улучшить характеристики связного канала, а именно: в 6.8 раз уменьшить вероятность ошибки при передаче данных и облегчить работу системы синхронизации связного канала, исключив за счет использования навигационной поддержки режим поиска сигнала, что имеет существенное значение для повышения оперативности систем УВД с АЗН;

— разработана методика оценки влияния информационной избыточности на точность местоопределения при различных алгоритмах фильтрации координат ВС- -при определении координат ВС на предельно малых высотах 100.200 м, введение ограничения на минимальный угол места НКА рабочего созвездия на уровне ~ 10° заметно в 1,5.2 раза повышает точность местоопределения. Необходимо увеличить продолжительность приёма сигналов и уменьшение выбора рабочего созвездия НКА. — повышение точности местоопределения ВС путем выбора оптимального созвездия НКА;

— разработан алгоритм навигационной под держки от приемоиндикатора СРНС канала передачи данных в ШДПС СРНС, обеспечивающих категорированную посадку ВС, и в системах УВД с АЗН и дана оценка его эффективности;

— алгоритм фильтрации по методу наименьших квадратов, позволяет ослабить требования к производительности бортового вычислителя, точность местоопределения может быть повышена за счет увеличения числа каналов измерения.

5. Проведен сравнительный анализ эффективности относительных навигационных определений в ШДПС СРНС с использованием корректирующего канала связи через РТР. Использование информационной поддержки канала корректирующих поправок СРНС позволяет при минимальном объеме наземного оборудования реализовать точность местоопределения, достаточную для обеспечения категорированной посадки ВС существенно в 2−3 раза уменьшить погрешность.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы 67 работах [101−167] в том числе 45 статей, из которых 35 статей в изданиях рекомендованных по списку ВАК, 20 из них в центральных изданиях. Кроме этого 23 статьи депонировано в ВИНИТИ [168−190] и опубликовано 15 отчётов НИР [191 -205].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.