Локально-глобальная навигационно - информационная радиотехническая система

УДК 621.396

ЛОКАЛЬНО-ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННО - ИНФОРМАЦИОННАЯ

РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В.И. БАБУРОВ, А.Г. ГЕРЧИКОВ, А.И. КОЗЛОВ, В.К. ОРЛОВ, Е.Е. НЕЧАЕВ, Ю.Г. ШАТРАКОВ

Рассмотрены основные принципы построения нового класса систем - навигационно-информационных. Обоснована необходимость подобных систем, рассмотрена структура и основные алгоритмы работы. Проведена оценка точностных характеристик.

Ключевые слова: радионавигация, информационная система.

Развитие авиационной техники требует адекватного развития систем обеспечения полетов, в том числе систем радионавигации. Насыщенность современных самолетов разнообразной радиоаппаратурой ставит перед разработчиками этой аппаратуры высокие требования не только по качеству решения функциональных задач, но и по параметрам, характеризующим экономное использование разнообразных ресурсов - полосе частот, массе, габаритам, потребляемой мощности и т.д. Общепризнанным путем решения этой задачи является создание интегрированных систем [1; 10]. Современные летательные аппараты (ЛА) оборудованы различными системами, предназначенными для навигационного и информационного обеспечения всех этапов полета. Эти системы можно разделить на два класса - глобальные и локальные. Глобальные и локальные системы связи обеспечивают связь экипажа с диспетчерским центром, а также передачу необходимых полетных данных с Земли на борт и с борта на Землю, а также обмен данными между бортами. Использование этих систем для целей навигации весьма ограничено и в основном эти системы используются для целей управления воздушным движением (УВД). Глобальные системы навигации способны обеспечить местоопределение ЛА в любой момент времени в любой точке Земли и околоземного пространства. К таким системам относятся существующие и разрабатываемые спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС, GPS, Galileo, COMPAS, а также импульсно-фазовые и фазовые радиосистемы дальней навигации наземного базирования (РСДН) [10].

Локальные системы имеют ограниченную дальность действия и функционируют в заданном географическом районе при нахождении в зоне действия соответствующих наземных средств (радиомаяков). К таким системам относятся радиосистемы ближней навигации (РСБН, DME, VOR), системы инструментальной посадки (ПРМГ, ILS, MLS), системы вторичной радиолокации, автоматические радиокомпасы. В свою очередь использование глобальных и локальных систем навигации для информационного обмена также весьма ограничено. Из глобальных систем наибольший интерес представляют СРНС. Их высокая точность, высокий темп обновления информации вместе с качествами, определяющими их "глобальность", позволяют решить практически все задачи радионавигационного обеспечения полетов. Однако эти системы имеют и существенные недостатки. В первую очередь нужно отметить следующие слабые места СРНС: низкая помехозащищенность, связанная с удаленностью источников сигналов (навигационных спутников), и относительно малая мощность этих сигналов. Источник помех, даже маломощный, но находящийся близко от приемоизмерителя, может полностью нарушить процесс позиционирования.

Импульсно-фазовые системы дальней навигации значительно уступают СРНС по точности и зоне охвата, однако меньше подвержены влиянию помех, превосходят СРНС по целостности и непрерывности местоопределения и при этом значительно экономичнее в обслуживании. Эти обстоятельства привели к появлению комплексов, совместно использующих GPS и РСДН. Ло-

кальные системы свободны от недостатков, присущих СРНС, но ограничены зоной действия и в большинстве случаев имеют более низкую точность. Объединить достоинства глобальных и локальных навигационных и информационных систем позволяет интеграция каналов измерения и информационного обмена. Таким образом, по существу, формируется радиотехническая система нового класса - навигационно-информационная система. Варианты построения таких комплексных систем могут быть различными в зависимости от решаемых задач. Интегрированная локально-глобальная навигационно-информационная система, решая задачи, присущие каждой системе навигации и связи (локальной и глобальной) в отдельности, может решать и дополнительные задачи. При этом расширение функциональных возможностей происходит без увеличения массо-габаритных характеристик при соответствующем сокращении диапазона используемых частот, что является существенным фактором технико-экономической эффективности. Для обеспечения безопасности полетов, повышения эффективности использования авиации представляется целесообразным построение локально-глобальной радиотехнической системы на основе комплексного использования данных локальной системы, например, РСБН с введением функции информационного обмена и глобальной системы, например, ГЛОНАСС (не исключая при этом возможности использования и данных других систем ближней и спутниковой радионавигации) [2; 3]. Упрощенная структурная схема аппаратуры абонента навигационно-информационной системы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема аппаратуры абонента навигационно-информационной системы

Основой структуры является многоабонентная дальномерная система (МДС), построенная на базе дальномерного тракта РСБН. Все абоненты системы равноправны и работают на одной частоте излучения. Взаимодействие абонентов производится на основе множественного доступа с временным разделением (МДВР), при котором каждый абонент получает свой интервал

для излучения запросных и ответных сигналов [4]. Единую интервальную сетку на всех абонентах обеспечивает синхронизация. При этом для функционирования МДС синхронизация может быть относительно грубой (с точностью до времени распространения сигналов между абонентами) [5]. Основной задачей, решаемой МДС, является измерение дальностей. В [6] было показано, что при всенаправленном излучении запросных и ответных сигналов на каждом из взаимодействующих объектов могут быть определены все дальности (радиальные и взаимные). Тем самым жестко фиксируется конфигурация взаимного расположения этих объектов (рис. 2).

Рис. 2. К определению конфигурации взаимного расположения

Это позволяет получить и некоторую угломерную информацию. В частности, на ЛА1 может быть определен внутренний угол

D 2 + D 2 — D 2

Ф23 = arccos°1г +°1Ъ °1Ъ .

2D13D23 ' '

При известных высотах полета объектов (получаемых по данным информационного обмена) внутренние углы зависят от относительных пеленгов (в данном случае ЛА2 и ЛА3 относительно ЛА1). Это позволяет определить относительные пеленги всех взаимодействующих объектов, если каким-то образом определены пеленги некоторых из них. Например, при известном пеленге ЛА2 и вычисленном внутреннем угле может быть найден пеленг ЛА3

а3 = а 2 ± Ф23.

Неоднозначность может быть устранена, если известен пеленг еще хотя бы одного из взаимодействующих ЛА (либо за счет априорной информации).

Дополнительные возможности появляются у МДС при наличии точной синхронизации (с учетом времени распространения сигналов между абонентами) и достаточно стабильных задающих генераторов [6]. В этом случае радиальные дальности могут быть измерены однопутевым (беззапросным) методом, что позволяет кардинально повысить пропускную способность системы (число взаимодействующих абонентов при фиксированном темпе обновления информации). Кроме измерения дальностей МДС обеспечивает обмен навигационной информацией между взаимодействующими объектами. Обмен производится на той же частоте и в той же интервальной сетке, что и измерение дальностей. Каждый абонент в своем интервале времени передает всенаправленно свою информацию. Минимальный состав информации должен включать в себя идентификационный номер абонента, его абсолютные координаты и составляющие вектора скорости. Основным источником информации о координатах и скорости является приемо-измеритель СРНС, включенный в состав системы (рис. 1). Канал информационного обмена дает возможность на борту каждого объекта знать собственные абсолютные координаты и скорость, а также абсолютные координаты и скорость всех взаимодействующих объектов. Это позволяет на борту каждого ЛА определить относительные координаты всех взаимодействующих с ним

ЛА в абсолютной системе координат. Расчетным путем при этом могут быть получены относительные дальности, пеленги и углы места взаимодействующих объектов [3]

D = д/ Ах2+Ау2+АН2

a=arctg А^+ргеС

Р • АН

р = агсБіп

Ах2 +Ау 2+АИ2

где Ax, Ау - относительные координаты в горизонтальной плоскости;

АИ - относительная высота.

Канал информационного обмена работает в диапазоне частот РСБН, и его дальность действия соответствует дальности прямой видимости, то есть взаимодействующие объекты находятся в зоне сильной корреляции погрешностей СРНС. Поэтому при работе по единому рабочему созвездию навигационных спутников в процессе определения относительных координат происходит компенсация коррелированных составляющих погрешностей, что по точностным характеристикам практически эквивалентно дифференциальному режиму СРНС [7]. Комплексное использование непосредственных измерений и результатов расчетов на основе данных информационного обмена позволяет повысить точность и достоверность относительного местоопре-деления. Рассмотрим точностные характеристики системы в различных режимах работы. Основным источником информации об абсолютных координатах является приемоизмеритель СРНС. Погрешности в определении координат (2о) в среднем могут составлять порядка 20 м в

горизонтальной плоскости и 30 м по высоте. При работе по единому созвездию навигационных

спутников погрешности определения относительных координат, а также погрешность вычисления относительной дальности будут иметь величину примерно на порядок ниже. При использовании информации СРНС погрешность определения абсолютных координат будет содержать случайную составляющую, независимую у разных ЛА, и коррелированную составляющую, практически одинаковую у всех взаимодействующих ЛА (при условии совпадения рабочих созвездий) [7]. Дисперсия ошибок определения координаты может быть записана в виде

2 2 2 / ,ч

° Ч = ° Чсл + ° Чкор ,

2

где ч - одна из абсолютных (геоцентрических) координат; о- суммарная дисперсия случай-

.2

ных составляющих погрешности; о ^ - суммарная дисперсия коррелированных составляющих.

При обмене данными об абсолютных координатах на данном ЛА0 будут определены относительные координаты А^і = - эд.

Если определение абсолютных координат на двух ЛА произведено по одному и тому же рабочему созвездию, то коррелированные составляющие погрешностей будут скомпенсированы (аналогично дифференциальному режиму работы СРНС). При равноточном определении координат на двух ЛА дисперсия погрешностей относительной координаты будет равна оА = 2о2 , то есть практически будет совпадать с дисперсией определения координат в

АЯ. Чсл

2 2

дифференциальном режиме °Ад = о9диф .

Такую же величину будет иметь дисперсия погрешностей относительной дальности, вычисленной в соответствии с верхней формулой выражения (3). Совместное использование результатов непосредственных измерений (радиальные и взаимные дальности и связанные с ними внутренние углы) и результатов расчетов на основе абсолютных координат взаимодействую-

щих объектов (относительные координаты в декартовой, цилиндрической или сферической системах координат) позволяет улучшить характеристики системы, в частности: обнаружить аномальные ошибки измерения, связанные с нарушениями в каналах измерения или информационного обмена; повысить целостность и непрерывность решения навигационных задач за счет информационной избыточности; повысить точность определения относительных координат за счет совместного использования навигационной информации, получаемой от различных источников. Основные режимы работы рассматриваемой навигационно-информационной системы - определение абсолютных и относительных координат и информационный обмен. Тем самым система может решать традиционные задачи: навигация на маршруте полета; межсамо-летная навигация и наблюдение воздушной обстановки; информационный обмен (не только навигационной, но и другими видами информации). В то же время построение навигационноинформационной системы позволяет решать и другие задачи. В [8] показана возможность использования метода относительного местоопределения для обеспечения захода на посадку. Особенно важно это может быть для малооборудованных аэродромов. Таким образом, локально-глобальная навигационно-информационная радиотехническая система, объединяя функции систем навигации и связи, может решать следующие основные задачи: определение собственных абсолютных координат и составляющих вектора скорости по сигналам ГЛОНАСС (а при наличии возможности - и GPS, Galileo и т.д.); прием и передача по каналу информационного обмена абсолютных и относительных координат, составляющих вектора скорости взаимодействующих объектов и другой служебной информации; определение расчетным путем относительных координат (дальность, пеленг, угол места) и составляющих относительной скорости взаимодействующих объектов; непосредственное измерение радиальных дальностей до взаимодействующих объектов; определение взаимных дальностей и внутренних углов в группе взаимодействующих объектов; комплексное использование данных прямых измерений и информационного обмена; обеспечивающее повышение точности определения относительных координат; помехозащищенность и целостность интегрированной системы при решении задач навигации (в том числе межсамолетной), посадки, наблюдения и информационного обмена.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабуров В.И., Пономаренко Б.В. Принципы интегрированной бортовой авионики. - СПб.: Изд-во «Агентство РДК-Принт», 2005.

2. Герчиков А.Г., Громов Г.Н., Наливайко Д.А., Орлов В.К., Чернявский А.Г. Принципы построения локально-глобальной многоабонентной системы относительной навигации // Вопросы радиоэлектроники, серия ОВР.

- 1990. - Вып. 21. - С. 3-12.

3. Бабуров В.И., Герчиков А.Г., Добырн В.В. и др. Определение относительных координат в локальной радиотехнической системе с обменом данными // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ. - 2009. - Вып. 2. - С. 175182.

4. Бабуров В.И., Герчиков А.Г., Наливайко Д.А., Орлов В.К. и др. Многостанционный доступ в локальной радиотехнической системе информационного обмена и наблюдения // Транспорт: наука, техника, управление.

- 2002. - № 2. - С. 33-37.

5. Бабуров В.И., Герчиков А.Г., Наливайко Д.А., Орлов В.К. и др. О синхронизации в радиотехнических системах информационного обмена и наблюдения // Транспорт: наука, техника, управление. - 2001. - № 8. - С. 2326.

6. Герчиков А.Г., Наливайко Д.А., Орлов В.К., Чернявский А.Г. Оценка точности измерения дальности в многоабонентной дальномерной системе // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ. - 2009. - - Вып. 2. - С. 165-174.

7. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В.С. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993.

8. Бабуров В.И., Герчиков А.Г., Орлов В.К., Чухлеб С.Н. Оценка возможности использования метода относительного местоопределения для обеспечения захода на посадку // Транспорт: наука, техника, управление. -2005. - № 12. - С. 29-31.

9. Радиотехнические системы / под ред Ю.М. Казаринова. - М.: Академия, 2008.

10. Шатраков Ю.Г. Морские радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1991.

LOCAL GLOBAL RADIO SYSTEMS OF NAVIGATION AND INFORMATION

Baburov V., Gerchikov A., Kozlov A., Nechaev E., Orlov V., Chatrakov U.

The basic principles of the design of the new class of navigation information systems are reviewed. The necessity of these systems is argued; the structure and the algorithms of their functioning are considered. The accuracy characteristics are estimated.

Key words: System of Radio navigation, Ranging System, System of Communications, Relative Navigation, Aircraft.

Сведения об авторах

Бабуров Владимир Иванович, 1954 г.р., окончил ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (1976), доктор технических наук, директор НТЦ "Навигатор" ОАО «ВНИИРА», автор более 200 научных работ, область научных интересов - разработка бортовой аппаратуры.

Герчиков Альберт Грейнемович, 1938 г.р., окончил ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (1964), кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «ВНИИРА», автор 100 научных работ, область научных интересов - разработка бортовой аппаратуры.

Козлов Анатолий Иванович, 1939 г.р., окончил МФТИ (1962), заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Академии транспорта РФ и Международной академии информатизации, профессор, доктор физико-математических наук, Соросовский профессор, профессор кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор более 300 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радиолокация, радиополяриметрия, дистанционное зондирование окружающей среды.

Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор, проректор МГТУ ГА, заведующий кафедрой управления воздушным движением МГТУ ГА, автор более 150 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ, использование спутниковых технологий при ОрВД.

Орлов Владимир Константинович, 1953 г.р., окончил СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1980), кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ», автор 100 научных работ, область научных интересов - создание интегрированной аппаратуры.

Шатраков Юрий Григорьевич, 1938 г.р., окончил ЛИАП (1964), доктор технических наук, профессор, советник генерального директора ОАО «ВНИИРА», автор более 300 научных работ, область научных интересов - создание радиотехнических систем.