Повышение качества функционирования информационно-измерительных систем

УДК 621.396.982.4

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В.А. БОРСОЕВ, В.С. НОВИКОВ, В.П. МАКАРИЩЕВ

В данной статье представлены методы повышения точности работы автоматических радиокомпасов путем интегрирования со спутниковыми навигационными системами и разделения пространственных волн от поверхностных.

Ключевые слова: автоматические радиокомпаса, спутниковые навигационные системы.

Среди многообразия авиационных информационно-измерительных систем, служащих для решения задач радиосвязи, радионавигации и управления воздушным движением, важное место принадлежит комплексным системам, включающим в себя бортовое и наземное оборудование. Примерами таких систем являются комплексное использование автоматических радиокомпасов (АРК), приводных радиостанций и спутниковых навигационных систем. Использование таких комплексов позволяет решать многие задачи самолетовождения по воздушным трассам и заход на посадку в сложных метеоусловиях.

Актуальной научно-технической проблемой в настоящее время является повышение качества работы указанных комплексов, особенно при функционировании их в условиях неоднородностей распространения радиоволн.

Радиосигналы, отражаясь или проходя сквозь быстроменяющиеся слои неоднородностей, частично поглощаются или, наоборот, усиливаются из-за фокусировки отражающих слоев. Амплитуда и фаза сигнала претерпевают значительные изменения. Интенсивность влияния отражающих слоев ионосферных и тропосферных неоднородностей в высоких широтах существенно зависит от скорости солнечного ветра, состояния магнитного поля Земли, температуры воздуха, времени года, суток и других факторов (1). В точке приема переотраженных от различных неоднородностей сигналов может быть несколько, и при наложении друг на друга эти сигналы могут вносить большие погрешности в показания АРК.

Совокупное влияние указанных факторов часто приводит к ухудшению процесса самолетовождения, в том числе вынужденному отклонению от траектории полета по ортодромии к полету по радиодромии [3].

Для повышения качества работы автоматических радиокомпасов, эксплуатирующихся в высоких широтах, разработаны методы разделения прямой волны от переотраженных волн. При разделении пространственных радиоволн от поверхностных волн за основу может быть использовано явление доплеровского сдвига частот.

Поскольку в точку приема может прийти большое количество переотраженных радиоволн из различных направлений в зависимости от места нахождения неоднородностей следует рассмотреть наиболее встречающиеся случаи. В первом случае предполагается, что отражающие слои неоднородностей расположены над воздушным судом (ВС), а во втором случае - с правой или левой стороны от ВС. Первый случай рассмотрен в работе [2].

Основной результат данного исследования состоит в получении явного аналитического выражения для доилеровских частот прямой и иереотраженной радиоволн и их разности в виде

( \

где / - частота излучаемого сигнала; ^ -вектор путевой скорости летательного аппарата; с - скорость распространения радиоволн; Бпр - дальность до источника излучения; Н - высота полета; И - высота отражающей неоднородности; q - угол прихода радиоволн.

Рассмотрим второй случай, когда в точку приема, кроме прямой волны приходит переотра-женная волна от перемещающегося слоя неоднородности тропосферы или поверхности Земли в виде возвышенности (рис. 1).

Проверим выдвинутую нами гипотезу о возможности отделения переотраженной волны пеленгуемой радиостанции от прямой волны. Для решения этой задачи найдем разность допле-ровских смещений частот радиоволн между прямой волной и переотраженными волнами.

Будем считать, что воздушное судно выполняет полет на постоянной высоте. На данном рисунке ЛК будет траекторией прямой радиоволны, а линия ЛВК - траектория переотраженной радиоволны. Обозначим расстояние между направлением движения ВС и отражающей поверхностью неоднородности через И, а расстояние АС через Б.

Предположим, что скорость движения отражающего слоя неоднородности равна

у = —

«

Учитывая, что сдвиг фаз между прямой и переотраженной радиоволной равен

?’=ТЛг

где 1 - длина волны при распространении в свободном пространстве; Лг -разность путей, проходимых переотраженной и прямой волнами.

Рис. 1. Ход лучей прямой и переотраженной волн.

Тогда разность доплеровского смещения частот между сигналами будет равна

= К1г)

Найдем производную разности путей, проходимых прямой и переотраженной радиоволнами с учетом изменения расстояния отражающего слоя.

Из рис. 1 имеем

тогда

гпз+гЪ}’'

- 20

яС ] , 2

+к .

Так как = =  , выражение (6) можно представить в следующем виде

д4г _ РТУ+2}\У _ ^

где ^ - путевая скорость движения самолета; V — скорость движения отражающего слоя.

Подставляя (7) в (4) с учетом Бпр = 2Б, находим выражение для расчета разности доплеров-ского смещения частот между прямой и переотраженными волнами, с учетом изменения отражающего слоя неоднородности тропосферы

В связи с тем, что скорость движения самолета, как правило, значительно превышает скорость изменения отражающего слоя неоднородности, то в первом приближении можно считать, что скорость изменения отражающего слоя мала. Тогда выражение (8) будет иметь следующий вид

«ь—т

1-

С учетом ' /, выражение (9) преобразуется к виду

Следовательно, на подвижном объекте существует постоянное доплеровское смещение между частотами прямой и переотраженных волн от радиостанции, причем основной причиной смещения можно считать перемещение точки приема излучения радиоволн относительно источника. Величина разности смещения на малых расстояниях от передатчика максимальная, а на больших - минимальная.

Установление этого явления позволяет отфильтровывать в АРК сигналы прямых и переот-раженных волн.

Одним из эффективных методов разделения прямой волны от переотраженных и отфильт-ровывания последних в АРК является метод фильтрации радиоволн на частоте биений с применением перестраиваемых фильтров, ширина полосы пропускания которых находится в прямой зависимости от навигационных параметров движения ВС.

Исходные данные для перестройки фильтров и проведения вычислений по алгоритмам (1) и (10) предлагается получать от специализированных приемоиндикаторов (ПИ), которые могут оперативно в режиме реального времени подавать в вычислители путевую скорость ^7, высоты полета самолета Н, дальности до пеленгуемого маяка Б и угол между направлением прихода радиоволны и траекторией полета самолета.

Интегрирование АРК со спутниковым приемоиндикатором позволит повысить качество работы этих средств, т. е. добиться следующих результатов:

- вычисленные по показаниям АРК координаты ВС по двум ПАР позволяют контролировать в спутниковых ПИ точность работы при воздействии на антенные входы переотраженных сигналов от неоднородностей, а также при неблагоприятном расположении спутников на небосводе;

- использование показаний угла сноса угломерных спутниковых ПИ позволяет АРК выполнять полет на ПАР не по радиодромии, а по линии заданного пути.

Выводы. Рассмотренные способы повышения качества работы информационноизмерительных систем и основанные на них приемы построения интегрированных пилотажнонавигационных комплексов позволяют осуществлять новый качественный подход к современным технологиям самолетовождения, посадки и управления воздушным движением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мизун Ю.Г. Распространение радиоволн в высоких широтах. - М.: Радио и связь, 1986.

2. Борсоев В.А., Новиков В.С., Торишний В.М. Расчет доплеровского смещения частоты для радиотехнических систем, эксплуатирующихся в высоких широтах / Труды международного авиационного конгресса. - Киев, 2008.

3. Беляевский Л.С., Новиков В.С., Олянюк П.В. Основы радионавигации. - М: Транспорт, 1992.

RISING THE QUALITY OF INFORMATION-MEASURING SYSTEM FUNCTIONING

Borsoev V.A., Novikov V.S., Makarishev V.P.

In this article the methods of rising the accuracy of automatic radio compass functioning by means of integrating with satellite navigation system and dividing of spatial radio wave and surface radio wave are presented.

Key words: automatic radio compass, satellite navigation system.

Сведения об авторах

Борсоев Владимир Александрович, 1949 г.р., окончил КИИ ГА (1976), доктор технических наук, профессор СибГАУ, автор более 140 научных работ, область научных интересов - навигационное обеспечение полетов и управление воздушными судами.

Новиков Владимир Стефанович, 1935 г.р., окончил КИИ ГА (1959), доктор технических наук, почетный профессор Национального авиационного университета (Украина), автор более 300 научных работ, область научных интересов - навигационное обеспечение полетов и управление воздушными судами.

Макарищев Вадим Парфирьевич, 1935г.р., окончил МЭИ (1960), главный конструктор МКБ «Компас», автор более 200 научных работ, область научных интересов - навигационное обеспечение полетов и управление воздушными судами.