Повышение эффективности использования спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Моисейкин, Дмитрий Александрович

• Моисейкин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моисейкин, Дмитрий Александрович

Введение

Содержание

Глава 1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием

СРНС.

1.1 Требования, предъявляемые к точности и надежности навигации транспортных вертолетов на различных режимах полета.

1.2 Навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС.

1.3 Внутренние источники помех и факторы внешней среды, влияющие на спутниковую радионавигацию.

1.3.1 Инструментальные ошибки.

1.3.2 Влияние атмосферы.

1.3.3 Многолучевость распространения радиосигнала.

1.3.4 Ошибки, вызванные погрешностями эфемерид навигационных спутников • • • •

1.3.5 Влияние геометрии созвездия навигационных спутников.

1.3.6 Модельные ошибки при спутниковой радионавигации.

1.3.7 Влияние сторонних радиосигналов.

1.4 Влияние конструктивных особенностей вертолета при использовании СРНС.

1.5 Области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета.

Выводы по первой главе.

Глава 2 Модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность спутниковой радионавигации транспортных вертолетов • • •

2.1 Модель движения вертолета.

2.1.1 Системы координат.

2.1.2 Модель движения вертолета как объекта управления.

2.1.3 Упрощенные модели движения на типовых режимах полета.

2.2 Модель учета влияния атмосферных искажений.

2.2.1 Тропосферные искажения.

2.2.2 Ионосферные искажения.

2.2.3 Методика учета атмосферной погрешности на вертолете.

2.3 Модель учета влияния несущего винта.

Выводы по второй главе

Глава 3 Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.

3.1 Экспериментальная установка для исследования влияния несущего винта на точность навигации.

3.1.1 Назначение и цель эксперимента.

3.1.2 Критерии подобия условий эксперимента.

3.1.3 Конструкция экспериментальной установки.

3.2 План и результаты экспериментальных исследований

3.3 Режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего винта на точность навигации.

3.4 Рекомендации по размещению антенны СРНС на транспортном вертолете.

Выводы по третьей главе.

Глава 4 Навигационное обеспечение транспортных вертолетов, основанное на комплексировании ШНО и аппаратуры спутниковой радионавигации • *

4.1 Модели погрешностей измерений ШНО.

4.2 Выбор и обоснование слабосвязанной схемы комплексирования ШНО и аппаратуры потребителей СРНС.

4.3 Алгоритм определения систематических ошибок ШНО по сигналам СРНС.

4.4 Алгоритм фильтрации измерений для типовых режимов полета.

4.5 Численное исследование точностных характеристик предложенной схемы комплексирования.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5 Исследование возможности применения спутниковой радионавигации при транспортировке груза на внешней подвеске вертолета.

5.1 Характеристика задачи транспортировки груза на внешней подвеске.

5.2 Алгоритм относительной спутниковой радионавигации применительно к задаче транспортировки груза на внешней подвеске.

5.3 Оценка точностных характеристик спутниковой радионавигации при выполнении вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске.

5.4 Методика реализации относительной радионавигации при транспортировке грузов- • •

Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах»

Развитие экономики и государства требует интенсификации грузоперевозок, а так же повышения мобильности граждан. Это приводит к повышению числа воздушных и, в частности, вертолетных перевозок. Зачастую вертолет является единственно возможным средством доставки людей и грузов. В условиях Крайнего Севера, при полетах над водным пространством особенно остро встает проблема навигации и определения местоположения.

В Европейской части России, а так же в других густо населенных районах эта проблема рассматривается в другом аспекте. Необходимым условием успешного функционирования и развития авиации является рациональное использование сил и средств, то есть сокращения времени авиаперевозок за счет уменьшения расхода топлива и горючесмазочных материалов. Это приводит к повышению плотности воздушного движения на кратчайших маршрутах и экономических эшелонах, что вызывает необходимость сужения воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов воздушных судов (ВС) вступают в определенное противоречие, что требует совершенствования систем навигации и управления воздушным движением.

Так же актуальна проблема навигационных определений в Вооруженных Силах и, в частности, в армейской авиации. Опыт ведения боевых действий в Афганистане, в Чеченской республике, в других зонах локальных военных конфликтов показал, что точность определения местоположения непосредственно влияет на время выполнения боевой задачи. Ситуация усугубляется необходимостью выполнения полетов днем и ночью, в любых метеорологических условиях, а так же возможностью изменения полетного задания на маршруте.

В настоящее время основу вертолетного парка России составляют различные модификации транспортных вертолетов Ми-8 и транспортно-боевого вертолета Ми-24 конструкции КБ Миля и транспортно-боевые вертолеты Ка-27, Ка-26 и Ка-29, конструкции КБ Камова, выполняющие задачи в интересах военно-морского флота. За более чем двадцатилетнюю историю использования этих летательных аппаратов (JIA), их штатное навигационное оборудование (ШНО) практически не изменилось. Навигационные комплексы на вертолетах отсутствуют, а основным методом местоопределения остается визуальная ориентировка.

Учитывая постоянно расширяющийся круг задач, возлагаемых на вертолетную авиацию, можно определить совершенствование навигационного оборудования вертолета как первоочередную задачу.

Выход из сложившейся ситуации видится в использовании аппаратуры потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС). В настоящее время работают две системы: американская - GPS (Navstar) [24] и российская - ГЛОНАСС [22]. Каждая из них воплотила в себя новейшие достижения компьютерных и телекоммуникационных технологий. Современная аппаратура потребителей СРНС - это симбиоз спутниковой системы позиционирования, современной радиосвязи и электронной картографии, позволяющая определять местоположение и скорость летательного аппарата, вычислять расстояния, прокладывать маршруты и отслеживать их соблюдение, получать справки о картографических объектах. При этом требуемая точность находится на уровне десятков метров, а степень надежности позволяет на некоторых типах летательных аппаратов (вертолеты, легкие и спортивные самолеты) рассматривать спутниковую систему навигации в качестве основного средства навигации. Опыт постановки АП СРНС на тяжелые транспортные и пассажирские самолеты подтвердил высокую эффективность этих систем и значительно расширил возможности навигационных комплексов JIA. Сами спутниковые радионавигационные системы относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областей радиотехники. Подтверждением этого является эволюция и серьезная модернизация системы GPS, создание таких широкозональных дополнений СРНС, как WAAS, EGNOS, MSAS на основе наземных станций контроля и геостационарных космических аппаратов. С их помощью реализуется дифференциальный режим работы спутниковых систем, позволяющий на порядок снизить значения среднеквадратического отклонения (СКО) навигационных параметров. Качественно новым витком в развитии СРНС являются работы стран Европейского Союза по созданию Европейской глобальной спутниковой радионавигационной системы «Галилео».

Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую в принципе решать задачи навигации на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается тем, что орбитальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью, а общедоступность СРНС GPS становится «двоякой» после заявления Министерства обороны США о возможности намеренного загрубления данных системы над тем или иным регионом, в зависимости от внешнеполитической обстановки. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с полностью развернутой СРНС GPS и с другими навигационными средствами, в частности, радионавигационными средствами с наземным базированием опорных станций и с инер-циальными навигационными системами.

Применение систем спутниковой радионавигации на российских вертолетах началось с середины 90-х годов, и ограничивалось использованием дешевых приемников, в основном зарубежного производства, выполняющих простые навигационные задачи и осуществляющих лишь коррекцию места. В настоящее время, наряду с более современными, 12-ти канальными приемниками зарубежного производства (GPS-12, GPS-12XL, GPS-195 фирмы Garmin), проходят испытания российские образцы вертолетных навигационных комплексов, использующих аппаратуру приема СРНС («АБРИС» - ЗАО "Кронштадт"). С учетом перспектив финансирования и внедрения новых типов вертолетов, а так же реальных потребностей вертолетной авиации можно выделить два наиболее вероятных пути внедрения спутниковых систем навигации:

1. Размещение отдельных блоков многофункциональных приемников, предусматривающих отображение информации на фоне цифровой электронной карты с выбираемым масштабом и возможности дополнительного определения некоторых навигационных параметров (вектора ветра и др.), работающих автономно от штатного навигационного оборудования вертолета.

2. Ввод АП СРНС в состав штатного бортового оборудования вертолетов на основе комплексирования его со штатными навигационными комплексами курсо-доплеровского типа.

Одновременно с появлением навигационных приемников на вертолетах, начинается теоретическое рассмотрение вопросов их использования, с целью расширения области применения. К таким работам, например, относятся исследования влияния несущего винта (НВ) вертолета на прием радионавигационных сигналов от спутников, проведенные группой ученых во главе с профессором Рубцовым В.Д.; разработка интегрированной навигационной системы, предназначенной для установки на вертолетах UH - 60 A/L "Блэк Хоук" и СН - 47 D "Чинук", включающей GPS приемник и облегченный доплеровский навигационный измеритель, выполненная X. Бьюилом и JI. Олейником; проектирование интегрированной навигационной системы вертолета на базе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, многоканального приемника СРНС и радиолокационной станции для решения задачи огибания рельефа местности на предельно малых высотах полета, проведенное группой авторов под руководством Красилыцикова М.Н. Однако, в выполненных в этой области работах не были рассмотрены следующие вопросы: влияние конструктивных особенностей вертолета при использование соосной схемы с двумя НВ, а также отличие номинальных режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов летательных аппаратов (ДА), что существенно влияет на прием навигационных сигналов АП СРНС; оценка эффективности комплексирования спутниковых навигационных приемников со штатной навигационной аппаратурой курсо-доплеровского типа; навигационное обеспечение задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена:

Во-первых, повышением роли вертолетной авиации как наиболее эффективного средства доставки людей и грузов в места с ограниченными размерами взлетно-посадочными полос или на необорудованные площадки и следовательно, расширением круга задач, решаемых с помощью вертолетов.

Во-вторых, перспективой существенной модернизации имеющихся вертолетных навигационных комплексов в связи с возрастанием требований по точности, надежности и доступности навигационного обеспечения авиации и вертолетов.

В-третьих, необходимостью рассмотрения вопросов оценки эффективности использования аппаратуры потребителей СРНС на вертолетах, исходя из их конструктивных особенностей.

В-четвертых, отличием режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов J1A, что существенно влияет на прием навигационных сигналов аппаратурой СРНС.

Поэтому необходимо рассмотрение вопросов применения спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах с целью повышения эффективности использования перспективных методов навигационного обеспечения полетов, исходя из специфики задач и условий их эксплуатации.

Объектом исследования является навигационное обеспечение российских транспортных вертолетов при использовании аппаратуры СРНС.

Предмет исследования: принципы и алгоритмы комплексирования ШНО вертолета с аппаратурой СРНС, расширяющие области использования вертолета, повышающие безопасность его эксплуатации и качество решаемых задач.

Цель исследования: повышение точности и надежности навигации транспортных вертолетов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС.

2. Разработка модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность СРНС транспортных вертолетов.

3. Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.

4. Разработка схемы и алгоритма комплексирования штатного навигационного оборудования и аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. 5. Разработка навигационного алгоритма для выполнения вертолетом задачи транспор-. тировки груза на внешней подвеске при использовании АП СРНС.

Методические и научно-теоретические основы исследования при решении перечисленных задач использовались методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы оптимальной фильтрации и математического моделирования, положения теории подобия. При выполнении работы проведены полунатурные эксперименты с последующей обработкой полученных результатов с помощью теории случайных процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов антенной спутникового навигационного приемника на основе известной модели влияния НВ традиционной схемы.

2. Разработана модель и методика учета атмосферных искажений, которые, в отличие от существующих позволяют вычислять аналитические поправки псевдодальности и псевдоскорости применительно к рассматриваемым режимам полета вертолета.

3. Разработан алгоритм навигационного комплексирования спутникового приемника и штатного навигационного оборудования вертолета курсо-доплеровского типа, и соответствующая функциональная схема.

4. Разработан алгоритм навигационного обеспечения при решении задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета, основывающийся на принципах относительной спутниковой радионавигации, и соответствующая схема.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель влияния несущих винтов соосной схемы и результаты экспериментальных исследований влияния несущего винта вертолета традиционной схемы на прием сигналов АП СРНС.

2. Схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета со спутниковым навигационным приемником и алгоритм навигационных определений.

3. Алгоритм навигации при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолета.

4. Рекомендации по повышению точности и надежности навигационных определений при использовании на вертолете АП СРНС.

Практическая значимость исследования:

1. По результатам исследований выработаны практические рекомендации по размещению и использованию АП СРНС на вертолете, учет которых позволит повысить точность и надежность навигации.

2. Создание навигационных комплексов на основе предложенных алгоритма и схемы комплексирования штатного оборудования и СРНС обеспечит летчика навигационной информацией на качественно новом уровне, позволяющем решать практически все типы задач, возлагаемые на вертолеты.

3. Применение алгоритмов определения взаимного положения на основе двух навигационных приемников повысит безопасность транспортировки грузов на внешней подвеске вертолета.

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования диссертационного исследования обеспечивается корректностью математической постановки задачи, строгостью применяемых методов решения и обоснованностью методики проведения экспериментов, сопоставлением полученных численных результатов экспериментальных исследований с результатами статистического моделирования.

Апробация результатов исследования и основные публикации.

Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

XIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов JIA с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (г. Иркутск, 2003 г.);

VII Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Королевские чтения» (г. Самара, 2003 г.)

X, XI, XII Всероссийских научных семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2001 г., 2003 г., 2005 г.);

XIV Международном научном семинаре по современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (Алушта, 2005 г.).

Основные теоретические положения, разработки и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы, реализованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе Сызранского высшего военного авиационного училища летчиков (военном институте), учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.

Основные научные положения, наиболее важные результаты и выводы, содержащиеся в работе, опубликованы в девяти работах.

Структура, объём и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 103 наименования. Объем диссертации составляет 194 страницы.

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Моисейкин, Дмитрий Александрович

Выводы по пятой главе:

1. Система определения взаимного расположения вертолета, груза и земной поверхности, реализованная на базе двух приемников системы спутниковой навигации, линии передачи данных и алгоритмов определения взаимного положения, существенно облегчит выполнение задачи транспортировки груза на внешней подвеске за счет обеспечения летчика дополнительной информацией.

2. С точки зрения требуемой точности определения координат вектора взаимного положения вертолета и груза в предлагаемой системе наиболее целесообразно применение алгоритма сильносвязанной схемы (алгоритма двойных разностей), использующей результаты первичной обработки информации, так как при этом устраняются наиболее значительные погрешности вычисления псевдодальностей до навигационного спутника: уход бортового эталона времени приемника, влияние атмосферы и неточности прогноза эфемерид спутников.

3. Анализ результатов статистического моделирования показывает, что значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения вектора взаимного положения вертолета и груза удовлетворяют требованиям по точности в рассматриваемой системе.

4. Использование дисплея и предупредительного табло значительно эргономизирует систему определения взаимного положения, а применение автоматизации управления грузом повышает коэффициент безопасности выполнения данного типа полетов.

154 Заключение

Диссертация содержит решение актуальной научной задачи повышения эффективности использования спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах.

В результате проведенных исследований сформулированы следующие выводы:

1. Обоснована целесообразность применения аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем на транспортном вертолете для решения новых типов задач, обусловливающих ужесточение требований по точности и надежности навигационного обеспечения. Выделены ошибки спутниковой радионавигации, обусловленные наличием несущего и рулевого винтов на вертолете.

2. Разработана модель учета влияния атмосферных искажений на прием сигналов от навигационных спутников и предложена методика компенсации тропосферных и ионосферных погрешностей на вертолете, использующая наземный сегмент вычисления атмосферных поправок. Комплексное использование предлагаемого подхода позволяет снизить величину погрешности от атмосферных искажений до 10% от первоначальных значений.

3. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов от спутниковой системы навигации. Оценка относительного ухудшения точности навигации по сравнению с использованием несущего винта вертолета традиционной схемы составляет от 0,7 до 2 единиц в зависимости от взаимного расположения навигационного спутника, антенны навигационного приемника и несущих винтов вертолета.

4. Выполнено экспериментальное исследование, подтвердившее результаты теоретических исследований влияния несущего винта на прием сигналов антенной спутниковой радионавигационной системы, проявляющееся в уменьшении количества работающих спутников из числа видимых (на 2-3); увеличении погрешности вычисления горизонтальных координат (до 10-12 метров) и высоты полета (до 15-17 метров); появлении дополнительной составляющей вектора скорости, переменной по направлению в горизонтальной плоскости и имеющей вертикальную составляющую (эффект псевдоснижения). В качестве технического решения проблемы влияния винта обоснован выбор места размещения антенны спутникового приемника на транспортном вертолете с учетом различных схем аэродинамической компоновки: традиционной (с несущим и рулевым винтами) и соосной (с двумя несущими винтами).

5. Предложена схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета и спутникового навигационного приемника, включающая в себя блок учета атмосферных погрешностей и вычислительное устройство, реализующее алгоритм определения коэффициентов систематических ошибок штатного навигационного оборудования. Выполнено статистическое моделирование алгоритма навигации на примере типового полета «Полет в зону на простой пилотаж», определены параметры переходного и установившегося режимов работы комплексированной навигационной системы, показано существенное повышение точности навигации.

6. На базе двух навигационных приемников, методики определения взаимного положения сильносвязанной схемы и вычислителя из состава навигационного комплекса вертолета предложена система контроля взаимного положения вертолета, груза и земной поверхности с визуальным отображением информации, которая может рассматриваться как один из вариантов повышения безопасности выполнения вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Разработан алгоритм навигационного обеспечения, основанный на принципах относительной спутниковой радионавигации. Выполненное исследование алгоритма методом статистического моделирования показало, что значения оценок вектора относительного положения находятся в допустимых пределах технических характеристик используемых систем подвески груза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моисейкин, Дмитрий Александрович, 2005 год

1. Агаджанов П.А., Воробьев В.Г., Кузнецов А.А. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1980. — 270 с.

2. Агафонова С.Е. Разработка адаптивного алгоритма выбора созвездий навигационных спутников для многоканальной приемной аппаратуры: Дис. на соиск. учен. ст. канд. тех. наук. Самара, СГАУ, 2001. - 395 с.

3. Анализ эффективности использования приемоиндикатора СРНС в качестве позиционного корректора штатного радионавигационного оборудования ВС // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. радиофизика и радиотехника. 2001. - №39. - С. 65-73

4. Аппаратура радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Системы координат. Методы предвычислений координат определяемых точек. Государственный стандарт РФ (проект). Госстандарт России, 1997.

5. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Издательство стандартов, 1981.-52 с.

6. Безручко В.Н., Гуденко В.В. Радиоэлектронное оборудование вертолетов. М.: Военное издательство, 1978. - 356 с.

7. Белоконов И.В. Планирование спутниковой радионавигации для космических систем дистанционного зондирования Земли: Дис. на соиск. учен. ст. докт. тех. наук. Самара, СГАУ, 1999. - 456 с.

8. Бессонов В.В. Пояснительная записка к дипломному проекту на тему:

9. Высокоточное определение относительного положения близко летящих космических аппаратов при использовании спутниковых радионавигационных систем. Куйбышев, Авиационный институт, 1994. - 120 с.

10. Бибаев Н.Ю. Практическая аэродинамика вертолетов Ми-8Т, Ми-8МТ: Учебное пособие. Уфа, УВАИ, 1994. - 256 с.

11. Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А., Колчев А.Б., Успенский В.Б. Имитационная модель движения летательного аппарата // Журнал РАН ТНТУ. — М., 2001. -№10. С. 107-109. Буга Н.Н. Некоторые вопросы помехоустойчивости систем связи. - Ленинград, 1966. -160 с.

12. Вертолет Ми-8МТ: Учебное пособие по изучению инструкции экипажу. Уфа: Типография УВВАУЛ, 1996. - 356 с.

13. Власюк Н.И. Радиоэлектронное оборудование вертолетов Ми-8Т и его летная эксплуатация: Учебное пособие. М., 1982. - 257 с.

14. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС, интерфейсный контрольный документ (редакция пятая). КНИЦ ВКС. М., 2002. - 55 с.

15. Гребенников А.В., Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Оценка задержки сигналов ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по одночастотным измерениям // Сб. тр. IX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2002.-С. 25-33.

16. Global Position System Standard poisoning service signal specification. 2nd Edition. June 2 1995.

17. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Надежность навигационной системы с учетом информационных отказов // Сб. статей и докладов: интегрированные инерциально2829,30