Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в высоких широтах

УДК621.396.98

УЛУЧШЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ И НАДЕЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ

А.А. АПОЛЛОНОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.

Рассматривается влияние использования псевдоспутников в высоких широтах на улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем и соответственно повышение безопасности полетов воздушных судов.

Ключевые слова: СРНС ГЛОНАСС, радиовидимость НКА, точностные характеристики, безопасность полетов, аппаратура потребителей СРНС, геометрические факторы.

Снижение точности навигационных определений (НО) с использованием спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС, обусловленное неблагоприятным расположением навигационных космических аппаратов (НКА) рабочего созвездия и относительно невысокой степенью их доступности для наблюдения в высоких широтах (выше 65°00 00" с.ш.), существенно затрудняет навигацию воздушных судов (ВС) гражданской авиации.

Повышение точности НО и соответственно безопасности полетов ВС в высоких широтах может быть достигнуто при использовании функционального дополнения СРНС в виде псевдоспутников (ПС), под которыми понимаются радиотехнические устройства с наземным базированием или с базированием в околоземном пространстве, сигналы которых синхронизованы с сигналами СРНС, а параметры сигналов и их формат близки к параметрам и формату сигналов СРНС [3].

Представляет интерес изучение влияния использования ПС в высоких широтах на точностные (измеренные погрешности навигационных параметров, геометрический фактор) и надежностные (доступность, непрерывность) характеристики АП СРНС. Задачи анализа радиовидимости НКА СРНС ГЛОНАСС и вычисления геометрического фактора были реализованы в среде математического моделирования МЛТЬЛВ.

Для проведения исследования на радиовидимость НКА ГЛОНАСС использовался реальный альманах системы ГЛОНАСС от 6 ноября 2008 года и геодезические координаты г. Норильска: 69°20 00" с.ш., 88°13 00" в. д. В ходе эксперимента в течение суток с шагом в минуту вычислялись координаты НКА, находящихся в зоне радиовидимости над г. Норильском, и углы места НКА относительно геодезических координат г. Норильска (показатель минимального угла места НКА установлен в соответствии с техническими данными навигационного приемника вО-24). Полученные в результате эксперимента данные о количестве доступных НКА ГЛОНАСС отображены на рис.1.

Данные суточного мониторинга углов места всех радиовидимых над г. Норильском НКА ГЛОНАСС отображены на рис. 2.

Рис. 1. Радиовидимость НКА ГЛОНАСС над г. Норильском 06.11.2008г.

Рис. 2. Углы места радиовидимых над г. Норильском НКА ГЛОНАСС 06.11.2008г.

Проанализировав данные, приведенные на рис. 1, можно сделать вывод, что в период времени с 03:35 до 04:25 НО с использованием АП СРНС невозможны вследствие отсутствия доступности минимально необходимого для НО в трехмерном пространстве (4-х) НКА [2]. Также следует отметить, что в течение суток наблюдается группа радиовидимых НКА ГЛОНАСС с максимальным углом места, близким к 30°, что при совершении ВС маневров в аэродромной зоне может приводить к затенению сигналов некоторых из них. Учитывая, что максимальный угол затенения сигналов ВС при совершении маневров составляет 30°, проведем исследование на радиовидимость НКА ГЛОНАСС, углы места которых превышают 10°, 20° и 30°. Полученные в результате обработки экспериментальные данные представлены на рис. 3.

Произведем расчет координат АП СРНС в статичном положении над г. Норильском в период времени с 03:00 до 05:00 ч по декретному Московскому времени. Расчеты производились с учетом всех НКА, находящихся в зоне радиовидимости АП СРНС.

Суточный мониторинг радиовидимости НКА ГЛОНАСС

угол места > 10а угол места > 20а угол места > 30*

g __I__I_I__I__I__I__I_I__I__I__I__I_I__I__I__I__I_I__I__I__I_I__I__I__

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00.07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00

Декретное Московское Время [чч:мм|

Рис. 3. Радиовидимость НКА ГЛОНАСС над г. Норильском 06.11.2008г.

при маневрировании ВС

Первоначально осуществлялся расчет параметров движения каждого НКА, по которым в данный момент производятся НО. Этот расчет производился на основе принимаемой информации об эфемеридах НКА. Далее производилась коррекция измеренных псевдодальностей (ПД), устранялись с использованием известных моделей ионосферные и тропосферные погрешности, а также погрешности, вызванные релятивистским эффектом. После этого на основе скорректированных ПД и рассчитанных координат НКА с помощью итеративного метода взвешенных наименьших квадратов производился расчет навигационных параметров АП СРНС.

Для определения координат объекта и коррекции времени образуется система уравнений, неизвестными в которой являются три координаты x, y, z и ошибка шкалы времени АП СРНС T [1]

Dn = yj

где x, y, z - прямоугольные координаты АП СРНС в геоцентрической системе координат (ГСК); Xi, Y, Zt - прямоугольные координаты НКА СРНС ГЛОНАСС в ГСК; Dt - псевдодальность i - го НКА СРНС ГЛОНАСС; i - индекс НКА СРНС ГЛОНАСС; N - количество НКА СРНС ГЛОНАСС, по которым определены D{; n - индекс ПД используемой при решении системы уравнений; Ts' - расхождение шкал времени НКА и АП СРНС ГЛОНАСС; с - скорость света.

На рис. 4 отображены погрешности измерения местоположения АП СРНС над г. Норильском в заданном интервале времени, а именно, долгота, широта и высота (B, L и H соответственно).

Общий геометрический фактор изменения точности определения навигационных параметров B, L, H, T' запишется в виде корня квадратного из следа матрицы [1]

GDOP = Vtrace Г ,

где G - корреляционная матрица погрешностей.

03:30 04:00 04:30 05:00

Декретное Московское Время [чч мм]

Рис. 4. Погрешности измерения навигационных параметров Б,Ь,И

Рассмотрим показатели геометрических факторов изменения точности при определении места в пространстве (РБОР), в горизонтальной плоскости (ИБОР) и по высоте (УБОР), Показатели геометрических факторов определялись по формулам (3), (4) и (5) соответственно [1]:

РООР = ,¡711 + У22 +Г33 ,

ИВОР = 4гп +722 ,

УПОР = ^,

где Уу - элементы матрицы Г,

Полученные значения геометрических факторов (РБОР, ИБОР, УБОР) отображены на рис. 5,

Согласно полученным данным, можно сделать вывод, что в период времени с 03:00 до 04:00 ч по декретному Московскому времени над г. Норильском навигационная обстановка является неудовлетворительной, вследствие отсутствия 4-х НКА, а также превышения допустимого показателя геометрических факторов для НО.

Рассмотрим влияние использования двух ПС в зоне радиовидимости АП СРНС, расположенной над г. Норильском. Согласно (1) в системе уравнений псевдодальности будут двух типов

В „ =,]

где Ху, Уу, 2} - прямоугольные координаты НКА или ПС СРНС ГЛОНАСС в ГСК; -

псевдодальность у -го НКА или ПС СРНС ГЛОНАСС; у - индекс НКА или ПС СРНС ГЛОНАСС; М - количество НКА и ПС СРНС ГЛОНАСС, по которым определены ; п -индекс ПД используемой при решении системы уравнений; Тр' - расхождение шкал времени

НКА, ПС и АП СРНС ГЛОНАСС.

Показатели погрешностей измерения трех навигационных параметров (Б, Ь, И) при использовании навигационных сигналов от двух ПС отображены на рис. 6.

03:30 04:00 04:30 05:00

Декретное Московское Время [чч:мм]

Рис. 5. Г еометрические факторы

03 ч 30 м 04 ч 30 м 05 ч 30 м

Декретное Московское время, ч м

Рис. 6. Показатели погрешности измерения навигационных параметров

при использовании ПС

Результаты анализа влияния комплексной обработки сигналов псевдоспутников и навигационных космических аппаратов СРНС ГЛОНАСС, при решении навигационной задачи над г. Норильск, показали, что погрешность определения навигационных параметров широты (В) и долготы (Ь) не превышает 13 м, а для высоты (Н) не превышает 20 м, что соответствует требованиям ИКАО при проведении воздушным судном некатегорированного захода на посадку. При использовании в проведенном эксперименте двух псевдоспутников также улучшились надежностные характеристики СРНС ГЛОНАСС, такие как доступность и непрерывность.

Следовательно, можно сделать вывод, что использование в высоких широтах функционального дополнения СРНС ГЛОНАСС типа псевдоспутников, а именно в зонах плохой радиовидимости навигационных космических аппаратов СРНС ГЛОНАСС позволяет

улучшить точностные и надежностные характеристики АП СРНС и повысить безопасность проведения полетов воздушных судов гражданской авиации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. - М.: Эко-Трендз, 2003.

2. Бакитько Р.В., Булавский Н.Т. и др. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под. ред. А.И. Перова, В. Н. Харисова. - М.: Радиотехника, 2005.

3. Псевдоспутники в локальных системах расширения функциональных возможностей СРНС. - РИРВ: СПб., 2002. - Вып.-№27.

INCREASE OF SAFETY OF FLIGHTS IN POLAR REGIONS WITH USE OF PSEUDOLITES

Apollonov A.A.

In given article influence of pseudolites in on improvement of accuracy and reliability of satellite radio navigating systems equipment for the purpose of increase of safety of flights in polar regions is considered.

Key words: GNSS GLONASS, radio visibility navigation spacecraft, accuracy characteristics, flight safety, GNSS user equipment, geometrical factors.

Сведения об авторе

Аполлонов Александр Алексеевич, 1983 г.р., окончил МарГТУ г. Йошкар-Ола (2005), аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, инженер-техник ООО “Компас-Марин”, автор 8 научных работ, область научных интересов - навигация и управление воздушным движением, спутниковая радионавигация.