Анализ влияния отраженных сигналов на точность определения координат воздушного судна с использованием СРНС методами полунатурного моделирования

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 139

УДК 537.874

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ВОЗДУШНОГО СУДНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРНС МЕТОДАМИ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

А. П. ГУСЕВ

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

С помощью полунатурного моделирования исследовалось влияние сигнала от «ложного спутника» на точность показаний навигационного датчика. Актуальность проведения исследования обусловлена переходом к концепции зональной навигации (RNAV) утвержденной ICAO.

Развитие концепции зональной навигации, позволяющей воздушному судну (ВС) выполнять полёт по любой желаемой траектории, дало импульс для создания норм требуемых навигационных характеристик (RNP) [1] для бортовой навигационной аппаратуры. Концепция RNP представляет собой показатель точности навигационных характеристик в пределах определенного воздушного пространства и учитывает погрешности пилотирования, навигационного датчика и аппаратуры отображения. Типы RNP определяются в показателях требуемой точности, целостности, непрерывности и эксплуатационной готовности обслуживания.

Внедрение концепции RNAV позволит [2]:

уменьшить нормы эшелонирования по высоте;

пересмотреть структуру маршрутов для уменьшения интервалов бокового эшелонирования;

осуществлять полеты по наиболее выгодному маршруту, в том числе в зонах, где отсутствуют радиомаяки;

ввести уведомительный порядок регистрации маршрута полета;

ввести оптимальные, с точки зрения расхода топлива, безопасности, порядка и приоритета, посадки зоны.

Переход на технологию RNAV включает в себя несколько этапов. На первом основной акцент сделан на использование всех доступных методов навигации (глобальные, навигационные, спутниковые системы (ГНСС), наземные и автономные навигационные средства). На втором этапе планируется переход к RNAV с опорой исключительно на средства ГНСС ГЛОНАСС и GPS [2]. В связи с этим актуальной задачей является анализ влияния «ложных спутников» на точность определения координат воздушного судна.

Исследование методом математического моделирования степени ухудшения геометрического фактора в горном районе, определяемого как отношение СКО нахождения координат воздушного судна к СКО измерения RNP, проведенные в работе [3], показало высокую вероятность нарушения работоспособности приемника СРНС и появление хотя бы одного «ложного спутника» (Р~0.1) при малых высотах полета ВС.

Под сигналом «ложного спутника» понимается отраженный от подстилающей поверхности сигнал в условиях затенения элементами рельефа прямого сигнала от навигационного космического аппарата (НКА), вследствие чего коррелятор приемника не может его отфильтровать, в связи с отсутствием базового (прямого) сигнал. Еще одним возможным способом «защиты» приемника от искаженных сигналов является система RAIM - автономная система слежения за целостностью сигнала. Система основывается на избыточном количестве НКА, что позволяет методом исключения найти спутник, сигнал которого приводит к увеличению погрешности ме-стоопределения, превышающей допустимую. Однако для полноценного функционирования

системы RAIM необходимо наличие сигналов не менее пяти-шести видимых НКА, что не всегда возможно при полетах на малых высотах в горной местности.

Мощность помехи, вызванной отражением от подстилающей поверхности, определяется по формуле [4]:

N

P. =hBCDGbc {i,e,HBC}Porf {/}K{At,,T,},

i=1

где: GBC{i, 8, HBC} - коэффициент усиления антенны ВС в направлении i-й площадки земной поверхности; Ротр^} - мощность, излучаемая i-й площадкой земной поверхности в направлении на ВС; К{Дтз^ Tk} - коэффициент подавления помехи в приемкорреляторе, Axsi - время задержки отраженного сигнала; Тк - период корреляционной функции.

Мощность сигнала на входе приемного устройства приемоиндикатора СРНС определяется выражением [3]:

PKAGKAhKAGBC{g e}hBC

4pD2

p _ " KA^KA‘IKA^BC I/ ^}'IBC /о\

свх л _тл2 5 v /

2 LATM {g HBC }

1

где: РКА - мощность передатчика НКА; ОКА - коэффициент усиления антенны НКА; пКА и ПВС - коэффициенты потерь в антенно-фидерном тракте НКА и ВС; ОБС{у-б} - коэффициент усиления антенны ВС в направлении НКА; 8 - угол крена в направлении НКА; у - угол места КА; Б - расстояние между НКА и ВС; X - длина волны; ЬАТМ{ у , НБС} - потери в атмосфере; НБС - высота полета ВС.

Отношение сигнал/шум по напряжению на выходе приемокоррелятора вычисляется по формуле [4]:

( У/2

РкРкаЛкА^бс {Т-£~\

Чш =

P,

_____________________________________________IBC

4рЦ- Latm { g HBC } kAFK \_TA { g e HBC } hBC + T0 (K -Vbc )]

V 1

При полетах ВС на малых высотах над голой пересеченной местностью или лиственным лесом отражения сигналов космических аппаратов с малыми углами места (у » 5 - 10°) приводят к уменьшению соотношения сигнал/помеха на 8,5 - 10 дБ. С учетом того, что динамический диапазон изменений уровня сигнала в СРНС, определяемый различием условий распространения сигналов от входящих в рабочее созвездие НКА, имеет примерно такой же порядок, можно сделать вывод о возможности регистрации этих отражений в качестве сигналов от «ложных спутников».

Следует заметить, что «зеркальные» отражения от скальных горных образований, содержащие преимущественно когерентную компоненту, приводят к малому ослаблению отраженного сигнала (~ 2 - 3 дБ), что приводит к увеличению вероятности регистрации таких отражений в качестве сигналов от «ложных спутников». В связи с этим немаловажно знать количественную оценку погрешности вносимой сигналом от «ложного спутника».

Методами полунатурного моделирования была дана оценка влияния сигналов от «ложных спутников» на точность определения координат ВС. В качестве средства навигации был выбран навигационный приемник фирмы АБ^есЬ ОО-24. В качестве источника навигационного поля использовался имитатор спутниковых сигналов, созданный в «МКБ «Компас». По результатам моделирования, проведенного в работе [3], количество видимых НКА не превышало 7 при минимальном угле возвышения 10°. Нами при моделировании исследовалось влияние задержки сигнала от максимум двух НКА, имеющих угол возвышения 10-75. Задержка сигнала варьировалась от 10 нс до 10 мкс.

Координаты объекта были приняты равными : 41° 18’ 11.08” северной широты и 47° 36’ 10.6” восточной долготы на высоте 250 м.

На рис. 1 отображено состояние группировки на момент проведения эксперимента. При этом пространственный геометрический фактор (РБОР) составил 2.5, вертикальный (УБОР) -2.2, в плоскости (ИБОР) - 1.3.

Рассматривалось три случая влияния задержки сигнала НКА на координаты В, Ь, И (широту, долготу, высоту) объекта:

влияние задержки сигнала НКА №30 с низким углом возвышения 14° и азимутом 168°; влияние задержки сигнала НКА №16 с углом возвышения 46° и азимутом 300°; влияние задержки сигнала НКА №30 и №16 одновременно.

Ошибки по координатам во всех трех вариантах отображены на рис. 2-4.

N

0

£

Рис.1. Состояние группировки

Д. м

1200.П0

1000.00

000.00

600.00

400.00

200.00

0.00

-200.00

10

Н' i г~

нл/

Н2

Н1

Н2

НЗ

50

100 300 500 1000 2000 5000 10000

Рис. 4. Зависимость от времени задержки ошибки по координате H

Результаты моделирования показали, что при полетах по маршрутам над поверхностями с высоким коэффициентом отражения (например, скалистыми участками гор) с максимально допустимыми погрешностями определения положения по плановым координатам 250 м и по высоте 40 м (согласно требованиям ЯКР к местным авиалиниям 2-й категории), задержка сигнала «ложного спутника» относительно прямого может иметь допустимое значение не более 200 нс., что соответствует минимальному расстоянию от отражающей поверхности до антенны приемника около 60 м. Однако для поверхностей, характеризующихся средней и высокой степенью шероховатости, отраженный сигнал может не оказывать влияния на точностные характеристики приемоиндикатора СРНС, так как уровень отраженного сигнала становится несоизмеримо меньше уровня прямого.

ЛИТЕРАТУРА

1. ICAO Doc 9613-AN/937. Manual on Required navigation performance (RNP), second edition, 1999.

2. Mr. Hooper Harris, 19 Annual FAA/JAA International conference, 2002.

3. Сафин М.Д. Навигационное обеспечение воздушных судов в гористой местности с использованием радионавигационных систем с космическим и наземным базированием. Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МИИГА, 2006.

4. Карюкин Г. Е. Расширение функциональных возможностей спутниковых радионавигационных систем путем совершенствования методов навигационных определений и обработки информации. Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МГТУГА, 2006.

THE ANALYSIS OF INFLUENCE OF SIGNALS «FALSE SATTELITE» ON ACCUERCY OF DEFINITION OF COORDINATES OF THE AIRCRAFT WITH USE GNSS BY METHODS OF SCALED-DOWN MODELLING

Gusev A. P.

By means of scaled-down modelling influence of a signal from «the false sattelite» on accuracy of indications of navaids was investigated.

Сведения об авторе

Гусев Александр Павлович, 1983 г.р., окончил МГУ им. Огарёва (2005), аспирант МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - навигация и управление воздушным движением.