Повышение точности местоопределения радионавигационных систем средневолнового диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Сафонов, Александр Вячеславович

• Сафонов, Александр Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сафонов, Александр Вячеславович

Введение

1 Анализ возможности повышения точностных характеристик РНС средневолнового диапазона

1.1 Назначение радионавигационных систем и их классификация

1.2 Краткий исторический обзор развития средневолновых РНС

1.3 Основные требования, предъявляемые к РНС

1.4 Виды погрешностей

1.5 Оценка точности определения местоположения объекта

1.6 Характеристики канала распространения радиоволн

1.7 Принцип действия отечественных РНС средневолнового диапазона

1.8 Пути повышения точности местоопределения СВ РНС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности местоопределения радионавигационных систем средневолнового диапазона»

Актуальность темы. Возрастающие требования по повышению точности координирования при выполнении боевых действий и проведении работ по разведке и добыче полезных ископаемых в зоне континентального шельфа выдвигают на передний план вопрос обеспечения всех видов морских объектов средствами высокоточного определения их текущего местоположения.

Основными характеристиками радионавигационных систем (РНС), по которым определяется пригодность системы для выполнения тех или иных работ, в том числе на континентальном шельфе является дальность действия, точность и надежность круглосуточного местоопределения, непрерывность работы в любых метеоусловиях. Большое значение имеет число одновременно обслуживаемых объектов, их динамические свойства, возможность получения навигационной информации: в реальном времени, массогабаритные и энергетические характеристики аппаратуры, определяющие ее транспортабельность и затраты на ее обслуживание.

Разнообразие технических требований и условий при выполнении геофизических, геодезических и других видов работ влечет за собой к разнообразию используемых радионавигационных систем.

Качественные изменения, происходящие в последние годы в радионавигационном обеспечении потребителей, связаны с возможностью реализации технических идей на базе достижений современной технологии и микропроцессорной техники. Внедрение программных цифровых способов обработки сложных сигналов, обеспечивающих возможность применения оптимальных методов оценки их параметров, использование в радионавигационной аппаратуре баз данных позволили объединить в пределах одного устройства приемоиндикаторы (ПИ) нескольких радио нави гационых датчиков, включая автономные средства.

Применение методов псевдослучайной модуляции сигналов повышает помехозащищенность РНС по отношению, как к непреднамеренным, так и к организованным помехам. Последнее является определяющим фактором при решении задач оборонного назначения.

Многим из приведенных выше требованиям соответствуют сетевые глобальные радионавигационные системы космического базирования GPS (США) и FJIOHAG (РФ). Однако бытующее до недавнего времени мнение о возможности вытеснения ими из эксплуатации всех РНС наземного базирования; не подтвердилась на практике. Главной причиной этого стала малая помехоустойчивость этих систем в силу малой энергетики их сигналов. В абсолютном большинстве случаев бортовая, аппаратура этих систем работает одновременно по сигналам двух этих систем, являясь точным корректором отсчетов координат либо менее точных РНС наземного базирования, либо отсчетов источника автономной навигации.

Наиболее ярким примером такого комплексирования является взаимная поддержка GPS навигационной информацией от средневолновой РНС Geoloc (Франция), действующей на несущей частоте 2 МГц в полосе 0,6 МГц, обладающей одинаковой с GPS инструментальной погрешностью. Сочетание псевдослучайного кодирования и широкого спектра сигнала обеспечивают высокую помехозащищенность системы по отношению к помехам сосредоточенным по спектру-и; к помехам сосредоточенным по времени. Комплексирование ПИ с автономными датчиками курса и скорости объекта позволяет компенсировать доплеровский эффект и использовать очень узкую основную полосу обработки потока информации равную 0,01 Гц, что обеспечивает высокую помехоустойчивость к шумовым атмосферным помехам.

Однако любой системе, использующейся в отдельности, свойственны какие-то ограничения. Так для РНС Geoloc необходима первоначальная точная коррекция места или сведение периодических шкал времени, а в РНС GPS ограничениями являются: низкая помехозащищенность, изменение во времени геометрического фактора, дискретность в приеме сигналов [1]. Поэтому РНС средневолнового диапазона и РНС Geoloc, в частности, рассматриваются отечественными и зарубежными специалистами не только как самостоятельные навигационные средства, позволяющие в районах континентального шельфа выполнять операции, связанные с необходимостью точного местоопределения, а также как полезное дополнение к спутниковой РНС GPS не только как полезное дополнение на стадии не полного развертывания GPS, но и, когда та полностью войдет в эксплуатацию.

В настоящее время GPS развернута полностью и эксплуатируется в штатном режиме, обладая всеми объявленными характеристиками по доступности, надежности и точности местоопределения, в то время как отечественная система ГЛОНАС по причинам экономического характера не доведена до такого состояния. Вследствие чего вопрос высокоточного навигационного обеспечения морских объектов с помощью РНС СВ диапазона продолжает выть весьма важным с учетом упомянутой необходимостью работ на континентальном шельфе,-крайне необходимых для экономики России.

Следует отметить, в нашей стране накоплен богатый опыт создания РНС СВ диапазона. Начиная с 60-ых годов прошлого столетия, были разработаны и внедрены в серийное производство две РНС:

1968г.-базовая радионавигационная автоматизированная радионавигационная система (БРАС-3);

1985г.-базовая радионавигационная необслуживаемая радионавигационная система PC-10.

Эти системы работают в диапазоне 1,6 — 2.1 МГц и обладают взаимной аппаратурной преемственностью.

Они обеспечивают однозначное, круглосуточное местоопределение морских объектов с метровой точностью в любое время суток на дальностях 200-400 км.

Заданные в разработку для выполнения оборонных и народнохозяйственных задач эти системы обладают высокой помехозащищенностью. PHG PC-10, выполненная с использованием перспективных цифровых программных способов обработки радионавигационной информации на встроенном специализированном вычислителе (по структуре открытой вычислительной системы, позволяющей наращивание) существенно превышает характеристики БРАС-3. Прежде всего, это относится к инструментальной точности и помехозащищенности.

Вследствие осознания* необходимости развития этого направления радионавигации в 1990г. была задана в разработку РНС нового поколения, к которой не были предъявлены, требования по преемственности. Это позволило разработчику применить совершенные способы широкополосной модуляции сигнала, обеспечивающие существенное повышение точности и помехоустойчивости при улучшении энергетических показателях системы.

Поскольку способы сокращения инструментальной составляющей погрешности были практически исчерпаны в РНС PC-10, в этой разработке основное внимание было направлено на сокращение систематической составляющей погрешности местоопределения, возникающей из-за неизвестности условий, распространения радиоволн в реальном канале распространения. С этой целью планировалось проведение исследований параметров трасс распространения радиосигналов средневолнового диапазона. Перспективы положительного завершения этих исследований определялись следующими предпосылками:

-готовностью радиофизиков к синтезу автономных процедур выработки и учета поправок за распространение радиоволн на основе данных о частотной амплитудно-фазовой дисперсии сигналов;

-появление публикаций по результатам опытной эксплуатации РНС Geoloc, в которой производится ввод поправок за распространение радиоволн, частично компенсирующих систематическую составляющую погрешности местоопределения;

-заложенной при проектировании РНС PC-10 возможности использования, штатного оборудования системы в качестве инструмента для измерителя параметров дисперсии сигналов на трассе распространения.

Тем не менее, сложное положение с финансированием этой разработки привело к ее свертыванию. В 2003 г. вновь поставлена задача разработки новой РНС СВ диапазона, обладающей повышенной точностью местоопределения.

Из изложенного выше можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения точностных характеристик PHG средневолнового диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

-анализ факторов, влияющих на точность навигационных измерений;

-анализ возможностей повышения точности местоопределения подвижных объектов, действующих на морских акваториях;

-поиск способов: сокращения: погрешностей определения текущих координат объектов по сигналам радионавигационных систем средневолнового диапазона;

-разработка способов и средств: внутрисистемного мониторинга и коррекции фазовых характеристик сигналов опорных станций СВ РНС;

-разработка средств выработки и учета корректирующих поправок за фазовую девиацию приемных антенн.

Методы исследований. При решении перечисленных выше задач в работе были использованы прикладные методы теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей сокращения систематической составляющей погрешностей РНС средневолнового диапазона и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан способ автоматической калибровки РНС;

2. Получены расчетные соотношения для оценки влияния условий распространения сигналов средневолнового диапазона на точностные характеристики РНС;

3. На основе полученных соотношений разработано программно-математическое обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей во всей рабочей зоне СВ РНС;

4. Разработан способ оценки фазовой девиации приемных антенн для последующей их компенсации;

5. Проведена оценка доли сокращения погрешностей; местоопределения! при практическом использовании, разработанных способов;

6. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения отечественной СВ РНС РС-10, позволяющий обеспечить 2.3х кратное сокращение систематической составляющей ее погрешности.

На защиту выносятся:

1. Способ автоматической калибровки РНС.

2. Способ выработки поправок на фазовую девиацию приемных антенн при размещении бортовой аппаратуры на объекте.

3 • Расчетные соотношения для оценки систематических погрешностей местоопределения, обусловленных искажениями фазовой структуры электромагнитного поля поверхностных сигналов.

4. Программно-математическое обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей местоопределения СВРНС.

Практическая значимость работы : состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

-провести предварительную оценку доли систематической погрешности местоопределения в; рабочей зоне РНС;

-сократить время готовности;РНС к навигационному обеспечению и повысить точность абсолютного местоопределения СВ РНС за счет введения автоматической калибровки;,

- сократить долю систематической погрешности местоопределения из-за девиации приемных антенн бортовой аппаратуры.

Внедрение результатов

Результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро! "Компас" и ГОУ МАРТИТ, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов.

Материалы диссертации докладывались:

-на научно-техническом семинаре "Концепция создания комплексированного оборудования навигации ", г. Москва, ГОУ МАРТИТ и МКБ "Компас", 2003г.;

-на научно-практической конференции "Инфокоммутационные технологии глобального информационного общества", г. Казань, ГТУ (КАИ), 2003 г.;

-на итоговой конференции Института проблем информатики Академии наук Республики Татарстан, г. Казань, 2004 г.

Публикация результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях.

Структура, и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,. списка использованных источников и приложения.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Сафонов, Александр Вячеславович

Основные результаты, полученные в 4 главе, состоят в следующем:

1.Получены математические: зависимости систематической погрешности местоопределения» СВ РНС,. учитывающие особенности условий распространения радиоволн средневолнового диапазона;

2. На основе полученных математических выражений разработано и отлажено программно-математическое обеспечение для моделирования предложенных способов сокращения систематической составляющей погрешности РНС, основой которого является программа для персональной ЭВМ SIST.PAS (язык программирования PASCAL);

3. Проведена серия расчетов. рельефов систематических погрешностей СВ РНС, по результатам которых произведена количественная оценка эффективности применения^ в РНС разработанных способов сокращения систематической составляющей погрешности СВ РНС.

На основании; результатов;, полученных в, главе 4,. можно сформулировать следующие выводы:

1 .Систематическая составляющая систематической погрешности РНС

СВ диапазона (Арнс=5м при Кг = 1,0) из-за условий распространения радиоволн даже при хорошей проводимости однородной подстилающей поверхности (море) в 3 раза превышает инструментальную среднюю квадратическую погрешность (сгм = 1,7м при Кг = 1,0);

2. Сокращение доли систематической погрешности является наиболее важным и эффективным путем повышения точностных и эксплуатационых характеристик РНС;

3. Уменьшение доли систематической погрешности отечественных РНС РС-10 в 3 раза может быть достигнуто за счет внедрения разработанных в рамках данных исследований способов калибровки и измерений для последующего учета девиационных поправок;

4. Разработанное программно-математическое обеспечение может совместно с аппаратурой эксплуатируемой в настоящее время РНС осуществить, экспериментальные исследование обратного метода выявления и учета поправок за условия распространения радиоволн СВ диапазона по результатам измерений амплитудно-фазовых соотношений сигналов самой РНС с большим частотным разносом (80F - 64F);

5. Результаты проведенного математического моделирования могут быть положены в основу разработки перспективной РНС СВ'диапазона.

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи минимизации систематической составляющей погрешности определения места объектов, действующих над морем по сигналам радионавигационных систем средневолнового диапазона:

В результате проведенных научных и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработан новый способ автоматической калибровки РНС по измерениям на ВМ станциях.

2. Разработан новый: способ выявления и учета фазовой девиации антенн бортовой аппаратуры.

3. Получены математические выражения для количественных оценок систематических погрешностей РНС, являющихся следствием неучтенных погрешностей при распространении сигналов, остаточными погрешностями калибровки, аппаратурными; погрешностями при измерениях фазовых параметров сигналов и используемого способа местоопределения.

4. Разработано и~ отлажено программно-математическое обеспечение для проведения количественных оценок систематических погрешностей РНС во всей рабочей зоне — расчета рельефов систематической погрешности РНС.

5. Разработан способ поддержания минимальной разности уровней сигналов на входе приемников ОС.

6. Показано, что перспективным направлением совершенствования способов выявления и учета поправок на распространение радиоволн в СВ РНС является автономный способ, в котором поправки вычисляются по измеренным в бортовой аппаратуре амплитудно-фазовым соотношениям сигналов с максимальным частотным разносом 16F( порядка 0,4 МГц).

7. Показано, что наилучшим средством аппаратурной поддержки научно-экспериментальных исследований условий распространения импульсных радиосигналов средневолнового диапазона является аппаратура отечественной эксплуатируемой в настоящее время СВ РНС РС-10.

8. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения при модернизации РНС -10, позволяющих в 2.3 раза сократить систематическую погрешность СВ РНС.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1.Применение разработанного способа минимального уровня разности сигналов на входе приемников ОС РС-10 позволит сократить аппаратурную погрешность измерений разностей фаз сигналов в 5-10 раз (при соотношениях —« (20 - 80)db) до значений 2-3 т.ф.ц., что снизит U4 соответствующую систематическую погрешность РНС до 0,5 метров при геометрическом факторе 1,0.

2.Введение в СВ РНС разработанного способа калибровки РНС позволяет сократить время готовности РНС к использованию с объявленной точностью определения места от нескольких суток до 20-30 минут.

3.Введение в бортовую аппаратуру РНС PC-10 разработанного способа выявления и учета девиационных поправок позволяет удерживать вероятность разрешения неоднозначности местоопределения при любом курсе объекта на уровне Ррн « 0,99.

Количественные оценки погрешностей СВ РНС, проведенные с помощью разработанного ПМО, показали, что при использовании предложенных способов доля систематической погрешности сократилась в 3 раза.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению точности местоопределения и сокращению времени готовности к навигационному обеспечению СВ РНС, позволяющая реализовать эффективную модернизацию эксплуатируемых в настоящее время РНС РС-10, имеющая существенное значение для экономики страны и обеспечения ее обороноспособности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сафонов, Александр Вячеславович, 2004 год

1. Hard G. "Geoloc spread spectrum concept applied in new accurate medium-long range radio positioning system". France,Sersel,04/84.

2. Быков В.И., Никитенко Ю:И. "Судовые радионавигационные устройства", Изд. Москва, "Транспорт.

3. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский: Ю.А. др. " Поиск, обнаружение и измерение параметров в радионавигационных системах", М. "Сов. радио"

4. Гюннинен Э.М., Макаров Г.И; "Распространение электромагнитного импульса над сферической землей" Из-во ЛГУ,. 1962г. Вып.2, Распространение радиоволн.

5. Азрилянт. П.А, Белкина М.Г. "Численные результаты теории дифракции радиоволн вокруг земной поверхности", М:, "Сов. Радио", 1957г.

6. Фок В.А. "Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности", М. -Д., Изд. АН СССР, 1946г.

7. Кйнкулькин И.Е., Рубцов В1Д., Фабрик MiA. "Фазовый метод определения координат"- Ml "Сов. радио", 1979г.

8. Мосяков Е.А., Федотов Е.Т. и др. " К вопросу оценки точности местоопределения по разностно-дальномерной РНС", 1988 г., депонированная рукопись

9. Набок Л.Ф. "О фазовой радио девиации"'--В'-кн.: Судовождение. Вып. 13., 1973г.

10. Агафонников A.M." Фазовые радиогеодезические системы для морских исследований"- М.: Наука, 1979г.

11. Сафонов А.В. Отечественные радионавигационные импульсно-фазовые системы, // Научно-практический: сборник: Электронное приборостроение, вып.6(34). Казань, КГТУ (КАИ), 20031 - С. 36 - 60:

12. Сафонов А.В. Широкополосная концепция в современных системах радионавигации // Научно-практический сборник: Электронное приборостроение, вып.6(34). Казань, КГТУ (КАИ), 2003. - С. 27 - 35;

13. Сафонов А.В;, Кузнецов В.М., Песошин В.А Генераторы псевдослучайной^ последовательности на.основе регистра сдвига.// Сборник докладов; на итоговой конференции; Института проблем информатики Академии наук Республики Татарстан. Казань, ИЛИ АН РТ, 2004.

14. Сафонов A.BL и др. Исследования! самолетной; МЧ PJIC по экологическому мониторингу, поиску полезных ископаемых и картографирования // Отчет поНИЭР"Мониторинг". — М.: АООП, 1997. -с. 253.

15. Е.А. Мосяков Е.Т. Федотов: и др. "Определение: поправок на фазовую девиацию в приемоиндикаторах средневолновых РНС /'Записки по гидрографии", 1988 г.

16. Е.А. Мосяков Е.Т. Федотов и др.~ " К вопросу оценки точности местоопределения; по разностно- дальной РНС", 1988 г., депонированная, рукопись.

17. Е.А. Мосяков. " Обобщение материалов по эскизному проекту ОКР (шифр "Кальмар") , Выводы. Книга 1 (основная). Регистрационный номер X 51949 от 15:02.78г.

18. Е.А. Мосяков и др. "Программно- математическое обеспечение ОКРf (шифр "Кальмар"), Эскизный проект. Книга 5,, регистрационный номер X 51949 от 15:02;78г.

19. Е.А. Мосяков и др. "Обобщение: материалов по техническому проекту ОКР (шифр "Кальмар"), Книга 1 (основная), Регистрационный номер X 51949 от 15.02.78г.

20. Е.А.Мосяков и др. "Программно- математическое обеспечение ОКР * (шифр "Кальмар"), Технический; проект. Книга 5, Регистрационный; номер X 51949 от 15.02.78г.

21. Е.А. Мосяков. Научный отчет по НИР (шифр "Скат"), 1 этап. Книга 1.29;Е. А. Мосяков. "Обоснование основного направления; развития-вооружения: и военной техники: ВМФ»до 2000г." И тоговый отчет по НИР1 (шифр "Интеграция-4"), 1978г.

22. Е.А. Мосяков. "Научно-техническое прогнозирование развития науки итехники в отрасли на двадцатилетний период". Научно-технический отчет по НИР (шифр "Прогноз-20), 1986 г.

23. Е.А. Мосяков и др. "Морские радионавигационные системы", Учебное пособие, -М. Радио и связь, 1991г.