Оборудование беспилотных летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перечень сокращений

АРН аппаратура радионавигации

АРУ автоматическая регулировка усиления

АП аппаратура потребителя

АФУ антенно-фидерное устройство

АЦП аналого-цифровой преобразователь

БЦОС блок цифровой обработки сигнала

ВБ вычислительный блок

ВПП взлетно-посадочная полоса

ВС воздушное судно

Г гетеродин

ГФ геометрический фактор

ДН диаграмма направленности

ДПС дифференциальная подсистема

ДР дифференциальный режим

ИВНП интегральный вычислитель навигационных параметров

ИКАО (ICAO -- International Civil Aviation Organization) международная организация гражданской авиации

ИНС инерциальная навигационная система

КИ корректирующая информация

ККС контрольно-корректирующая информация

ЛПД линия передачи данных

МШУ малошумящий усилитель

НВО навигационно-временное обеспечение

НКА навигационный космический аппарат

ПД псевдодальность

ПДУ предельно допустимый уровень

ПИ приемоизмеритель

ПНС передатчик навигационного сигнала

ППМ плотность потока мощности

ПЧ преобразователь частоты

РТ радиотракт

СКО среднеквадратичное отклонение

СРНС спутниковая радионавигационная система

УМ усилитель мощности

УПЧ усилитель промежуточной частоты

ЭВМ электронно-вычислительная машина

ЭМИ электромагнитное излучение

РТР ретранслятор

Введение

Автоматическая посадка БПЛА является одной из наиболее важных и сложных задач. Посадка БПЛА должна состоять полностью из автоматической системы, т.к. в будущем их станет намного больше, а опытных пилотов, чтобы их сажать, будет не хватать. Быстротечность режимов посадки заставляет свести к минимуму время потери сигнала ретранслятора необходимого для ориентации БЛА в воздухе. Основные точности к навигации при посадке БЛА, целесообразно принять те же , что и для обычных самолетов, т.к. существуют большие БЛА, которые сравнимы по характеристикам с самолетом.

Данная ситуация обусловливает необходимость использования средств автоматизации. Реализация режима автоматической посадки БПЛА позволит не только обеспечить выполнение полетов независимо от погодных условий, но и повысить степень безопасности полета, поскольку автоматизация уменьшает вероятность возникновения субъективных ошибок летчика во время принятия решения и выполнения управляющих действий. Следует также отметить важность реализации режима автоматической посадки в аварийных ситуациях, когда, например, пилот не в состоянии управлять самолетом.

Очевидно, что реализация режима автоматической посадки будет допустима только в случае, когда система автоматической посадки удовлетворяет требуемому уровню безотказности.

В 1988г. специальный комитет ИКАО по будущим аэронавигационным системам сформулировал концепцию перехода гражданской авиации на использование спутниковой технологии (документ WP/76 от 12.05.1988года.).

Точностные требования к навигационным параметрам при посадке воздушного судна по категории ИКАО представлены в таблице 1.



Таблица 1 Требования к навигационным параметрам по ИКАО

Посадка по категории	Точность	Целостность	Непрерывность	Доступность %
	Пла (2у),м	Высота (2у),м	Рриска	Время опов., с	Порог по ошибки, м
					план	высота
Некатегорированная посадка	50 ч 75	1·10-4	2	550
I	10,0	4,0	3·10-7	6	33,5	9,7	15 при Р = 4·10-5	99,75
II	5,0	1,6	3·10-8	2	23	4,6	15 при Р = 4·10-6	99,85
III	4,0	0,5	5·10-9	1	5	0,6	30 при Р = 4·10-6	99,9

Современные спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS позволяют определить координаты потребителя с точностью порядка 10ч15м., что удовлетворяет требованиям по точности навигационных определений воздушных судов при маршрутных полётах и полётах в аэродромных зонах, включая некатегорированный заход на посадку. Выполнение же требований по точности навигационных определений при обеспечении захода на посадку по категориям ИКАО может быть достигнуто с использованием дифференциальных методов спутниковой навигации, так как ни одна из существующих наземных и спутниковых систем представленным выше требованиям (точность, доступность, целостность) не удовлетворяет.

По имеющимся оценкам погрешность навигационных определений по системе ГЛОНАСС при различных режимах представлены в таблице 2. Из этой таблицы видно, что при использовании дифференциального режима плюс псевдоспутник, требование по I, II и III категории ИКАО удовлетворяется.

беспилотный помехозащищённость радионавигационный спутниковый



Таблица 2 Погрешность навигационных определений

Режим навигационных определений	ГЛОНАСС стандартный	ГЛОНАСС в дифф. режиме, (ККС)	ГЛОНАСС в дифф. режиме плюс режим РТК
	Погрешность измерений (3), м
Точность (P=0,95), [м]	1	1	0,5
по широте	19	1	0,5
по высоте	57	2	0,2
по долготе	19	1,2	0,6

Дифференциальный режим СРНС предполагает наличие как минимум двух спутниковых приемников или приемоизмерителей (ПИ). Например, ПИ1 (контрольно- корректирующая станция) и ПИ2 (потребитель) расположены в точках 1 и 2 пространства, причем ПИ1 геодезически точно привязан к принятой системе координат (ПЗ-90 или WGS-84). Разности между измеренными ПИ1 и рассчитанными в нем значениями псевдодальностей "видимых" КА, а также разности соответствующих псевдоскоростей по линии передачи данных (ЛПД) передаются в виде дифференциальных поправок ПИ2, в котором они вычитаются из измеренных ПИ2 псевдодальностей (ПД) и псевдоскоростей. В случае, если погрешности определения ПД слабо изменяются во времени и пространстве, они существенно компенсируются переданными по ЛПД поправками. В случае использования в системе посадки, ошибки ПД за счет малой рабочей зоны практически постоянны и эффективность использования дифференциального режима должна быть высокой.

Стандартный на сегодняшний день и хорошо отработан, вариант реализации дифференциальной подсистемы, который предполагает использование ККС и ДР с различными вариантами радиоканала (КВ, УКВ, спутниковый). Разработан стандартный формат представления дифференциальной поправки.

Однако, для решения задач автоматизированной посадки по II и III категории ИКАО стандартный вариант ДР не удовлетворяет по следующим причинам:

1. погрешность план 1 м, высота 2 м

2. большое время оповещения о неисправности НКА (стандартные форматы дифференциальных поправок не обеспечивают быстрой доставки)

Перспективным вариантом использования ДР в системах посадки является вариант реализации дифференциального режима с использованием ретранслятора при передаче в режиме РТК (рисунок 1).

РТК (англ. Real Time Kinematic -- дословно «кинематика реального времени») -- совокупность приёмов и методов получения плановых координат и высот точек местности сантиметровой точности с помощью спутниковой системы навигации посредством получения поправок с базовой станции, принимаемых аппаратурой пользователя.

Для этого используются измерения фаз несущей GNSS-сигналов L1 и L2 одновременно на двух GNSS-приёмниках. Координаты одного из приёмников (базового) должны быть точно определены (например, он может быть установлен в пункте государственной геодезической сети); он передает по каналу связи (радиомодем, сотовый модем, сеть Интернет и др.) набор данных, называемых поправками. Второй приёмник может воспользоваться этими данными для точного определения местоположения на расстояниях порядка до 50 км от базового приёмника.

Поправки могут передаваться в формате RTCM SC-104 (коды сообщений 3, 18-21, 32, 1003--1008), CMR и CMR+, RTCA, ATOM. Требуемая скорость передачи -- 2400 бит/с и более, задержка передачи -- не более 0.5?2 секунд. Для обычного DGPS достаточно было скоростей 200 бит/с и задержек до 10 сек.

Инфраструктура представляет собой сеть из нескольких базовых станций, обменивающихся потоками данных с помощью специализированного ПО. Полученный станцией спутниковый сигнал обрабатывается ПО в соответствии с программными алгоритмами и накопленной статистикой спутниковых эфемерид, после чего на БПЛА передается дифференциальная поправка, уточняющая спутниковый сигнал. Уточненный сигнал, в свою очередь, поступает на приемное устройство (так называемый «ровер»), и программа автоматической посадки получает координаты, точность которых лежит в сантиметровых или субсантиметровых пределах.

Ретранслятор - приёмо-передающее радиотехническое устройство, располагающееся на ВПП , усиливающее принимаемые сигналы со спутников и передающее их на БПЛА, и геодезически точно привязанная к принятой системе координат. По этому сигналу на борту БПЛА также может производиться корректировка координат за счет поправок вносимых ретранслятором. Таким образом, его использование обеспечивает для аппарата кроме получения дифференциальных поправок, дополнительную высоконадёжную опорную навигационную точку.

Наличие ретранслятора позволяет уменьшить значение геометрического фактора, в вертикальной плоскости в 6 ч 8 раз и в горизонтальной плоскости в 3ч4 раза, за счёт появления в зоне радиообзора БПЛА дополнительной радионавигационной точки, расположенной в нижней полусфере. Именно данное обстоятельство существенно уменьшает погрешность при использовании РТР.

При реализации дифференциальной системы с использованием ретранслятора возникает ряд проблем. Излучаемые источником навигационного сигнала ретранслятора сигналы, являются помехой для навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS ВС совершающего заход на ВПП. В связи с этим требуется разрешить проблему обеспечения нормального функционирования навигационных приёмников ретранслятора и воздушного судна, находящегося в рабочей зоне ретранслятора, одновременно принимающих навигационные сигналы спутника радионавигационной системы ГЛОНАСС и источника навигационного сигнала ретранслятоа. Кроме того, имеет место низкая помехозащищённость сигналов НКА, что может привести к неработоспособности системы посадки, использующей НКА. Последнее обстоятельство делает актуальной проработку вариантов автономной системы посадки, использующей тоже бортовое оборудование, что и система с использованием сигналов НКА ГЛОНАСС/GPS.



1 Уравнения ретранслятора

Под ретрансляцией сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) ГЛОНАСС/GPS понимается их повторное излучение после приема и обработки в аппаратуре ретрансляции (РТР). Обработка сигналов в РТР может включать в себя усиление, преобразование частоты, фильтрацию и дополнительное кодирование сигнала НКА. Ретранслированный сигнал проходит по радиоканалу и поступает в аппаратуру приема и обработки ретранслированного сигнала (АПОРС). В АПОРС производится обработка сигналов передаваемых РТР в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим решение целевой задачи, в том числе выполняется измерение радионавигационных параметров (задержки, доплеровского сдвига частоты и пр.) сигналов НКА принятых на БПЛА, а также решение навигационно-временной задачи (НВЗ) для БПЛА.



2 Разделение сигналов в приемопередающей антенне ОС

На опорной станции устанавливаются две антенны, одна предназначена для приема сигналов со спутников, а вторая, не направленная, для передачи ретранслированных на БПЛА. Передаваемый и принимаемый сигналы разнесены по частоте на 50МГц.



3 Использование пилот сигнала

Для исключения (учета) влияния на результаты решения НВЗ в АПОРС трассы распространения ретранслированного сигнала НКА, а также параметров частотно-временной шкалы АПОРС можно использовать специальный пилот-сигнал (ПС), который формируется в ретрансляторе и транслируется с объекта вместе с ретранслируемым сигналом НКА. На опорной станции производится измерение параметров, таких как задержка и доплеровский сдвиг частоты (ДСЧ) ПС относительно частотно-временной шкалы АПОРС. Результаты этого измерения позволяют определить дополнительную задержку сигнала НКА, обусловленную трассой ретрансляции и отклонением временной шкалы АПОРС от временной шкалы РТР, а также дополнительный доплеровский сдвиг частоты сигналов НКА, обусловленный взаимным перемещением РТР и АПОРС и отклонением частоты опорного генератора (ОГ) АПОРС от частоты ОГ РТР.



4 Структура дифференциальной подсистемы с использованием

Для реализации дифференциального режима необходимо дополнить систему рядом технических средств, совокупность которых можно рассматривать как подсистему функционального дополнения СРНС. Эта дифференциальная подсистема (ДПС) не влияет на функционирование системы в основном, стандартном ее режиме, однако предоставляет потребителю возможность перейти при необходимости на работу в дифференциальном режиме.

В основе дифференциального метода лежит формирование разности отсчетов, что и придало методу название - дифференциальный.

Структура ДПС поясняется на рисунке 1.1, где изображено рабочее созвездие НКА, выбранное потребителем для выполнения им навигационно-временного обеспечения (НВО) в стандартном режиме.

Рисунок 1 Структура дифференциальной подсистемы

ККС -- контрольно - корректирующая станция;

КИ -- корректирующая информация

Собственно ДПС образуют средства наземной контрольно- корректирующей станции (ККС) и дополнительные бортовые устройства потребителя.

На ККС размещены:

· аппаратура потребителя (АП) системы, способная в результате накопления измерений и фильтрации случайных погрешностей обеспечить наиболее точное навигационно-временное обеспечение (НВО);

· формирователь корректирующей информации (КИ), вычисляющий поправки на сильнокоррелированные погрешности и формирующий кадр КИ;

· передатчик КИ.

На борту потребителя размещаются:

· аппаратура приема КИ

· устройство ввода КИ в стандартную АП.

Антенна АП размещенной на ККС, привязывается на местности с геодезической точностью.

В дифференциальном режиме на борту БПЛА результаты определений в стандартном режиме будут автоматически корректироваться с помощью переданных с ККС поправок.



5 Спутниковые навигационные системы

5.1 Спутниковая навигационная система GPS

Глобальная система позиционирования (The Global Positioning System - GPS) - это основанная на специальных спутниках система, созданная и управляемая Департаментом Обороны США (DOD). Система обеспечивает возможность определения пространственного положения любой точки на земной поверхности. GPS - приемники используются для решения задач навигации, определения пространственных координат, определения точного времени, астрономических наблюдений, гидрометеорологических измерений и др. Точность определения координат может составлять от десятков метров до миллиметров в зависимости от применяемого оборудования и методики.

Глобальная система позиционирования состоит из трех сегментов: космического, управляющего и пользовательского.

Космический сегмент состоит из 24 навигационных спутников NAVSTAR, которые вращаются вокруг Земли на высоте около 20 тыс. км с периодом вращения 12 часов. Параметры спутниковых орбит подобраны таким образом, что в любой точке земного шара обеспечивается возможность одновременного приема радиосигнала как минимум от четырех спутников. Каждый спутник имеет на борту четыре высокоточных атомных часов, и постоянно посылает радиосигналы, используя собственный уникальный идентификационный код.

Управляющий сегмент состоит из четырех наземных мониторинговых станций, расположенных в разных частях земного шара, и главной управляющей станции. Мониторинговые станции принимают радиосигналы от спутников и по ним отстраивают орбитальные модели для каждого спутника. По этим моделям рассчитываются точные параметры орбиты (эфемериды) и коэффициенты коррекции бортовых часов спутников. Полученные данные передаются на главную управляющую станцию, которая один раз в сутки передает эфемериды и коэффициенты коррекции часов на спутники.

Пользовательский сегмент состоит из большого числа гражданских и военных GPS-приемников, которые преобразуют спутниковые радиосигналы в пространственные координаты и сигналы точного времени. Для расчета четырехмерной координаты местоположения приемника (X, Y, Z, Time) требуется принять радиосигнал как минимум от четырех спутников.

Каждый GPS-спутник постоянно передает радиосигналы на двух частотах: L1 и L2. Частота L1 (1575.42 MГц) несет навигационное сообщение и гражданский кодовый сигнал (C/A код). Частота L2 (1227.60 MГц) используется для измерения ионосферных поправок и несет шифрованный военный кодовый сигнал (P-код и Y-код).

Военные P-код и Y-коды шифруются с помощью особых алгоритмов шифрования, уравнения для их раскодирования засекречены и доступны только американским военным пользователям.

Спутниковое навигационное сообщение содержит описание GPS-спутниковых орбит, коэффициенты коррекции бортовых часов спутников и другие системные параметры. Эти декодированные данные также называют эфемеридами спутников. Эфемериды используются при планировании работ с применением GPS-оборудования и для определения координат.

Радиосигналы, принятые от спутников, служат для определения расстояния между фазовым центром спутникового радиопередатчика и фазовым центром GPS-приемника. Для определения этого расстояния вычисляется время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Зная время прохождения радиосигнала и скорость распространения радиоизлучения в вакууме, вычисляют расстояния от приемника до спутников. Координаты фазового центра GPS-приемника определяются пространственной линейной засечкой от спутников с известными координатами.

По состоянию на 6 января 2000 г. в околоземном пространстве находится 27 рабочих спутников системы GPS, равномерно распределенных по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает 24 рабочих спутника). Всего с 22 февраля 1978 г. было запущено на орбиту 43 навигационных спутника системы GPS серий Block I и Block II. Среди основных причин выхода спутников из строя называются следующие: смена стандарта частоты, потеря ориентации и аварии разгонного блока. Из имеющихся 27 рабочих спутников серии Block II около половины имеют срок жизни, близкий к критическому (Срок жизни спутника сериии Block II составляет около 10-15 лет).

Недавно правительство США приняло решение о выделении частоты для третьего гражданского сигнала, отвечающего нуждам приложений с повышенными требованиями к безопасности людей, например в гражданской авиации. Третий гражданский сигнал будет расположен на частоте 1176.45 МГц, внутри участка диапазона зарезервированного для международного аэрорадионавигационного сервиса и предполагается устанавливаться на спутники, начиная с 2005 года. Эта инициатива будет стоить 400 миллионов долларов за период в шесть лет. Время, когда новый сервис станет доступен пользователям зависит от реальных дат запуска спутников, наличия достаточного их количества на орбитах для обеспечения надёжного приёма и продолжительности ввода в строй оборудования.

В комбинации с текущим гражданским сигналом на частоте 1575.42 МГц, новые сигналы значительно улучшат устойчивость и надёжность системы GPS для гражданских пользователей и обеспечат беспрецедентную точность определения координат в реальном времени в любой точке земного шара, что должно способствовать возникновению новых областей применения GPS и расширит быстрорастущий рынок GPS оборудования и смежных сервисов по всему миру.



5.2 Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС

Глобальная Навигационная Спутниковая Система ГЛОНАСС - это сумма уникальных технологий, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени.

ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Управление космических средств РВСН).

Первый запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос 1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента Российской Федерации №658рпс с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ №237 от 7 марта 1995 г. были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей. Орбитальная структура штатного состава была развернута в декабре 1995 года.

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса "ПРОТОН" с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляют наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1.6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1.2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения с вероятностью 99.7%:

- горизонтальных координат с точностью 50 - 70 м;

- вертикальных координат с точностью 70 м;

- составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;

- точного времени с точностью 0.7 мкс.

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации.

Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

По состоянию на 6 января 2000 г. в околоземном пространстве находится 10 рабочих спутников системы ГЛОНАСС, крайне неравномерно распределенных по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает 24 рабочих спутника). Из имеющихся 10 спутников, 7 спутников имеют возраст более 4 лет, а 2 спутника - более 5 лет. Только три спутника системы ГЛОНАСС, запущенные 30 декабря 1998 г. имеют возраст около 1 года. (Средний срок жизни спутника ГЛОНАСС составляет около 5 лет).



5.3 Глобальная навигационная система GNSS

Термин GNSS - Global Navigation Satellite System, появился совсем недавно, и применяется для общего наименования двух глобальных систем GPS и ГЛОНАСС.

В марте 1996 года Россия сообщила Совету ИКАО (Международная организация гражданской авиации) о готовности предоставить ГЛОНАСС для использования мировой гражданской авиацией. Пока ИКАО пытается согласовать позиции Федерального Авиационного Агентства США и Российской Федеральной Авиационной службы, российская и американская стороны предложили ИМО (Международная организация морского флота) рассмотреть вопрос о совместном использовании систем GPS/ГЛОНАСС.

Одним из существенных параметров данной системы является целостность информации. Если данные любого из спутников вызывают сомнение, они должны быть исключены из расчетов. При совместном использовании GPS/ГЛОНАСС появляется возможность обеспечить контроль целостности сигналов, поступающих от спутников, и переход на работу с теми сигналами, целостность которых подтверждена. Устойчивость системы значительно увеличивается, так как пользователи смогут выбирать рабочее созвездие из большего числа, доходящего до 16-20 видимых в радиодиапазоне спутников и пользоваться аппаратурой с числом каналов 12 и более.

Чтобы сравнивать системы или говорить о совместном их использовании, сначала надо определить круг задач, для которых это возможно. Безусловно, для массового гражданского применения GPS не имеет альтернативы. Но для профессиональных устройств, применяемых, например, в авиации или на флоте, стоимость абонентских приемников оказывается сравнимой. К этому добавляются некоторые политические соображения: европейцы не хотели бы ставить себя в зависимость от перемен в политике США или России.

Потенциал ГЛОНАСС оценен в первую очередь французскими и германскими фирмами Sextant Avionique (Франция) и NFS (дочернее предприятие концерна ДАСА - Германия). Их подключение к разработке и выпуску абонентского оборудования позволяет не только обеспечить требования по точности и целостности, предъявляемые гражданской авиацией, снизить себестоимость производства и уменьшить массогабаритные характеристики оборудования, но и создает резервирование на случай изменения политики США по использованию GPS. Кстати, интерес к использованию ГЛОНАСС проявляют и сами американцы: компании Ashtech и Litton уже сделали совмещенные устройства, которые продают в составе своих навигационных комплексов.

Интеграция же ГЛОНАСС с GPS в рамках единого международного информационного навигационного поля требует от России крупных вложений как в наземную инфраструктуру управления, так и в совершенствование самих космических аппаратов с целью повышения надежности функционирования системы и увеличения срока активного существования спутников. В России таких спутников пока нет, что не является секретом ни для кого. Об этом международные эксперты судят по динамике состояния орбитальной группировки и по колоссальному количеству запусков носителей "ПРОТОН", производимых с 12 октября 1982 года для развертывания, доведения до штатного состава и поддержания системы ГЛОНАСС. Вместе с тем необходимо отметить более высокие точностные характеристики ГЛОНАСС по сравнению с GPS, что признается солидными американскими экспертами и университетами.

Сейчас, когда рынок оккупирован GPS, для оправдания затрат на создание и поддержание системы делаются попытки внедрения военной спутниковой навигации в коммерческие области. Однако для решения этой конверсионной задачи необходимы огромные, по российским меркам, вложения. Спокойно посмотрев правде в глаза, нужно признать, что невоенный рынок наземной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС пока находится в коматозном состоянии и его нельзя сравнивать ни по объему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с GPS-рынком, имеющим более чем двадцатилетнюю историю. Анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников также не выведет в ближайшие несколько лет ГЛОНАСС из этого состояния, так как цена этих приборов просто несопоставима со стоимостью GPS-комплексов. Да и нужны совмещенные приемники, в основном, только авиаторам для решения задачи высоконадежной посадки самолетов.

Все остальные пользовательские задачи уже давно прекрасно решаются GPS, доминирующей на радионавигационном рынке. И для завоевания рынка необходимо либо абсолютно новое потребительское качество навигационных приемников при низкой розничной цене, либо разумная жизнеспособная программа продвижения ГЛОНАСС-технологии на рынок с учетом огромного пространства, уже завоеванного GPS. Необходимо также отметить, что хорошего программного обеспечения диспетчерских систем для ГЛОНАСС-приемников нет, как, впрочем, нет качественных электронных карт российских городов и областей. Возвращаясь к обсуждению совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников, разумней говорить пока только о политическом значении того факта, что российская система используется мировым сообществом, в том числе и при решении задач навигации на транспорте.

Если учесть тот факт, что мы будем проводить военные испытания на нашем полигоне, то нам стоит воспользоваться отечественной системой радионавигации. Также примем во внимание тот факт, что в системе ГЛОНАСС точность определения координат значительно выше, чем в системе GPS, что показано в таблице 3.



Таблица3

	Горизонтальная ошибка	Ошибка по высоте
	50%	95%	95%
GPS (без SA)	7	18	34
GPS (c SA)	27	72	135
ГЛОНАСС	10	26	45
ГЛОНАСС+GPS	9	20	38

Код SA - код преднамеренного понижения точностных характеристик, используемых в гражданских целях.

Вывод: для определения координат ОС будем пользоваться системой радионавигации Глонасс. Так как погрешность определения координат значительно ниже чем у GPS.



6 Анализ вариантов бортового оборудования ВС для приёма сигналов ретранслятора

6.1 Приём сигналов ретранслятора штатной антенной АРН

Псевдоспутники выполняют функции по формированию корректирующей информации и передаче на борт потребителя необходимых для дифференциальной коррекции сигналов. Цифровые сообщения могут передаваться в структуре цифрового кадра навигационного сигнала псевдоспутника, аналогично информации НКА. Первоначально, при проработке систем с использованием ретранслятора предлагалось сигнал псевдоспутника принимать той же антенной что и сигналы НКА. Следовательно, в таком варианте не требуются изменения и доработки в бортовом радионавигационном оборудовании ВС в связи с внедрением псевдоспутника.

Основной недостаток такого варианта, связан как раз с проектированием самолётного оборудования. Предполагается, что прием сигналов РТР должен производиться антенным устройством, расположенным в верхней части ВС и обеспечивающим одновременный прием сигналов навигационных спутников СРНС. Такой подход диктуется соображениями избежания усложнения аппаратуры. Однако при этом существует проблема приема сигнала ПС, так как ПС находится на земле (нижняя полусфера), и приём сигналов от ОС будет производиться боковыми лепестками ДН, уровень которых порядка минус 20дБ (основной лепесток направлен вверх на приём сигнала НКА). Подавление принимаемого сигнала РТР может быть ещё больше, вследствие того, что само ВС является большим экраном (рисунок 2.1).Один из способов решения данной проблемы, это увеличение мощности передатчика псевдоспутника, однако, при реализации данного решения появляются следующие проблемы. У разных типов ВС может быть разное затухание сигнала, в зависимости от их конструкции и места установки приёмной антенны на БПЛА. Также затухание может меняться от типа (свойств) антенн, от расположения БПЛА в пространстве в связи с его маневрами и расстоянием относительно ОС.

Рисунок 2 Диаграмма направленности антенного устройства ВС

Пусть дальняя граница рабочей зоны псевдоспутника R = 50км. На краю

рабочей зоны мощность сигнала псевдоспутника должна обеспечиваться не менее чем минимальный уровень Р_ПСmin= ?161дБ, то есть на уровне мощности сигнала навигационного космического аппарата на поверхности Земли. При этом мощность передатчика ПС должна быть порядка Р_ПСизл = ?31дБВт (?1мВт), так как затухание сигнала частотой ?1600МГц, на трассе 50км составляет порядка 130дБ.

Очевидно, что при увеличении мощности передатчика ПС, при приближении воздушного судна к псевдоспутнику и при манёврах ВС, когда сигналы ПС могут приниматься не только боковыми лепестками ДН, но и основным лепестком, действующая мощность сигнала псевдоспутника, являющегося помехой приёму сигналов НКА, будет расти на приёмном входе, что не позволит принимать сигналы НКА и определять координаты ВС.

На основании анализа этой проблемы можно сделать вывод, что эффективное использование ПС возможно в случае применения на воздушном судне двух разнесённых антенн, одна из которых (штатная) антенна АРН для верхней полусферы, а вторая антенна снизу фюзеляжа (для нижней полусферы) обеспечивает приём сигналов ПС. Такой подход приведёт к усложнению самолётного оборудования, однако он является совершенно необходимым для обеспечения эффективного использования ПС и при этом данное усложнение конструктивно является незначительным. Необходимость установки антенны в нижней части ВС диктуется также возможностью уменьшения мощности излучения сигнала ПС при данной конструкции, поскольку сигнал ПС принимается основным лепестком ДН нижней антенны.

6.2 Приём сигналов ретранслятора антенной «снизу»

При установке на ВС двух антенн, возникает задача обработки двух сигналов. При этом целесообразно выполнять обработку сигналов в единой АРН. В этом случае необходимо выполнить суммирование сигналов верхней и нижней антенн.

6.2.1 Суммирование сигналов НКА и ретранслятора на высокой частоте

Суммирование сигналов НКА и ПС проводится на высокой частоте, т.е. сразу с выходов МШУ сигналы подаются на сумматор ( ? ), далее в радиотракт (РТ), аналогово - цифровой преобразователь (АЦП), блок цифровой обработки сигналов (БЦОС) и вычислительный блок (ВБ) (рисунок 2.2). При использовании данной схемы, как уже рассматривалось выше, при приближении ВС к псевдоспутнику уровень принимаемого сигнала от ПС возрастает, в тоже время уровень принимаемого сигнала от НКА остаётся неизменным.

Рисунок 3 Схема структурная суммирования сигналов НКА и РТР на высокой частоте

Подобный подход высказан в диссертации английского учёного H.Stewart Cobb. При этом предлагается использовать приёмную антенну и малошумящий усилитель (МШУ) для приёма сигналов ПС такие же, что используются для приёма сигналов НКА. Однако, и в своей диссертации английский учёный отмечает проблему приёма сигналов от НКА и РТР в ближней зоне. Это хорошо известный эффект обычно называют проблемой ближних/дальних зон. Схематически данная проблема представлена на рисунке 2.3. Также в диссертации отмечается, что различие между ближней и дальней зонами определяется не только уровнем мощности ПС, но и зоной нормальной работы приёмника ВС, в которой сигнал от РТР не является недопустимо большой помехой сигналу НКА. В случае применения типа конструкции бортового оборудования, описанного английским учёным, уровень сигнал псевдоспутника на сумматоре в ближней зоне будет несоизмеримо выше сигнала НКА, и будет заглушать последний.

Рисунок 4 Зоны распространения сигнала РТР

Проведём расчёт уровня сигнала в приёмной антенне ВС на расстоянии дальней границы рабочей зоны псевдоспутника R₁ = 50км и ближней рабочей зоны R₂ = 1км.

Плотность потока мощности (ППМ), формируемая на расстоянии R изотропным излучателем мощностью P_прд:

(1)

Мощность, принятая (выделенная из пространства) антенной:

(2)



где - эквивалентная площадь приемной антенны, вычисляемая по следующей формуле:

(3

где - коэффициент усиления приемной антенны.

Отсюда выражение для коэффициента усиления антенны:

(4)

Для изотропной приемной антенны () можно записать:

(5)

С учетом записанных выражений, мощность, принятая антенной:

(6)

С учетом коэффициента усиления передающей антенны, выражение (6) перепишется в следующем виде:

(7)

Исходя из выражения для принимаемой мощности (7), определим затухание (ослабление) сигнала в свободном пространстве:

(8)

Выразив в логарифмических единицах (дБ) значение затухания в свободном пространстве , мощности, принятой антенной , и коэффициентов усиления передающей и приемной антенн можно записать:

Р_{прм_дБ} = Р_{прд_дБ} + G_{прд_дБ} + G_{прм_дБ} ? L_{0_дБ} (9)

В этом выражении:

(10)

Выражение (10) можно переписать в виде, удобном для выполнения инженерных расчетов.

Затухание для частоты сигнала f_с =1 МГц ( 300 м) на расстоянии

R =1 км составит:

Тогда:



(11)

Получаем выражение (11) для расчета затухания сигнала в свободном пространстве. В этом выражении R(км) - расстояние между передатчиком ПС и РНА, измеренное в километрах, F(МГц) - несущая частота сигнала в МГц.

Расчёт будем производить при условии что на передающей и приёмной стороне используются антенны с коэффициентом усиления G_{прд дБ} =G_{прм дБ}=0 дБ, и мощность передатчика РТР Р_ПСизл = ?31дБВт (1мВт) (см. раздел 2.1).

На расстоянии R₁ =50 км:

затухание для частоты сигнала f_с =1600МГц ( 0,1875 м)

L_{0_дБ} = 32,5 + 20·( lg 1600 + lg 50 ) = 130,5 дБ

мощность приёмной антенны

Р_{прм_дБ} = ?31 + 0 + 0 ? 130,5 = ?161,5 дБ

На расстоянии R₁ =1 км:

L_{0_дБ} = 32,5 + 20·( lg 1600 + lg 1 ) = 96,5 дБ

Р_{прм_дБ} = ?31 + 0 + 0 ? 70,5 = ?127,5 дБ

Минимально, необходимое для нормальной работы, отношение сигнал/помеха на входе навигационного приёмника S/N = ?20дБ. Допустимый уровень мощности помехи Р_{П доп} определяется из допустимого отношения S/N и мощности сигнала НКА на входе приёмника Р_прм = ?161,5 дБ.



Р_{П доп} = ?161,5 ?(?20) = ?141 дБ.

Как видно из расчётов, с уменьшением расстояния до РТР уровень сигнала в приёмной антенне БПЛА в ближней зоне будет по мощности больше сигнала НКА что приведёт к нарушению работы АРН.

Следовательно, простого добавления в оборудование стандартной антенны и МШУ с суммированием на ВЧ недостаточно для обеспечения работы системы. Можно предложить установить после приёмной антенны сигналов ретранслятора автоматический регулятор усиления (АРУ), который должен постоянно поддерживать необходимый уровень сигнала на входе сумматора. В связи с тем, что промышленность не выпускает АРУ, обеспечивающих работу по сигналам малой мощности, необходимо усилить сигнал перед АРУ. Для такого усиления целесообразно применить вариант усиления сигналов ретранслятора с использованием преобразования частоты, поскольку значительное усиление сигнала на одной частоте трудно реализуемо

6.2.2 Суммирование сигналов НКА и РТР с использованием АРУ и преобразования частоты

Данный вариант предполагает использование отдельного радиотракта, от антенны до сумматора, для приёма сигналов ретранслятора. Радиотракт представляет собой кроме МШУ, ещё дополнительно преобразователь частоты (ПЧ), гетеродин (Г), усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и автоматический регулятор усиления (АРУ) (рисунок 2.4). Теперь при приближении ВС к ПС, и росте мощности сигнала ретранслятора на входе приёмной антенны, ВС сможет принимать сигналы без создания помехи сигналам НКА.

При реализации данного решения остаётся вероятность приёма сигнала основной антенной БПЛА, а так же проблема электромагнитной совместимости навигационной аппаратуры ККС и передатчика навигационного сигнала (ПНС) ПС. Так как приёмная антенна ККС и передающая антенна ПС находятся рядом и работают в одном диапазоне частот, то сигналы ПНС ПС будут являться помехой навигационной аппаратуре ККС.

Рисунок 5 Схема структурная суммирования использованием АРУ и преобразования сигналов НК и РТР с частоты

Для решения данной проблемы можно применить пространственный разнос передатчика и приёмника на расстояние порядка 30 ? 50м, применение направленных антенн и дополнительных поглощающих экранов, использование в приёмнике эталонного навигационного приёмника РТР специальных режекторных фильтров, подавляющих сигналы ПНС ПС. Всё это приведёт к дополнительным материальным и трудовым затратам, увеличению стоимости РТР.

Более перспективным решением может быть передача сигналов ПС не в диапазоне частот работы ГЛОНАСС/GPS. Например, можно использовать полосу частот, согласно Регламента радиосвязи РФ, выделенную для радионавигации 9ГГц.

При использовании данного диапазона для сигналов ретранслятора, передатчик не будет являться помехой ни для навигационной аппаратуры ККС, ни для навигационного оборудования БПЛА, принимающего сигналы НКА.

Использование другого частотного диапазона позволит при необходимости повысить мощность передатчика РТР, что в свою очередь повысит помехозащищённость сигналов. Все эти факторы делают возможным создание автономной системы посадки воздушных судов на базе нескольких псевдоспутников, обеспечивающих посадку ВС при отсутствии навигационных сигналов НКА или наличии сильных помех не позволяющих принимать эти сигналы.

Рассмотрим вопросы помехозащищённости радионавигационной аппаратуры работающей по системам ГЛОНАСС/GPS. В результате можно сформулировать требования к автономной помехозащищенной системе посадки с использованием ретранслятора.



7 Анализ помехозащищённости радионавигационной аппаратуры работающей по системам ГЛОНАСС/GPS

Невысокая устойчивость к воздействию помех является одним из наиболее слабых мест любой АРН работающей по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS. В США данная проблема была осознана на опыте проводившихся в последнее время военных компаний (одновременно с признанием высокой эффективности боевого применения спутниковой навигации, широко в данных компаниях использовавшейся). В связи с этим по имеющимся публикациям в США интенсивно проводятся работы по созданию помехозащищённой приемной аппаратуры GPS.

Основной причиной низкой помехозащищенности АРН ГЛОНАСС/GPS является малый уровень полезного сигнала навигационных космических аппаратов (НКА) на входе приемного устройства: минус (165…155) дБВт. Для того чтобы сделать приемное устройство неработоспособным достаточно обеспечить мощность помехи в полосе пропускания более минус 140 дБВт (отношение помеха/сигнал плюс 25 дБ). Такое значение допустимой мощности

помехи обусловлено свойствами (шириной спектра) псевдослучайной последовательности модулирующей сигнал НКА. С учетом того, что полосы рабочих частот систем ГЛОНАСС/GPS известны, несложно поставить преднамеренную помеху непосредственно в рабочей полосе частот приемной аппаратуры.

В качестве основного ориентира по задаваемым характеристикам помехозащищенности АРН будут использованы требования, изложенные в документе Межгосударственного авиационного комитета «Квалификационные требования КТ-34-01 «Бортовое оборудование спутниковой навигации» (редакция от 03.11.1999г.). Эти требования, предъявляемые к АРН ГЛОНАСС/GPS используемой в гражданской авиации, составлены с учетом возможностей современных образцов АРН и являются выполнимыми.

Требования документа КТ-34-01 задают максимальную допустимую мощность сигнала помехи, в зависимости от ее частоты, при которой должна обеспечиваться работоспособность авиационной АРН.

7.1 Требования КТ-34-01 к помехоустойчивости радионавигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS

7.1.1 Требования к минимальным характеристикам приёмника

При воздействии на бортовое оборудование спутниковой навигации (БОСН) помех с уровнями, изложенными ниже, ошибка псевдодальности и показатель ошибок в слове не должны превышать значений, указанных в таблице4.

Таблица 4 Значение ошибок псевдодальности для различных типов спутников

Тип спутника	GPS	ГЛОНАСС
Ошибка псевдодальности (1 сигма)	0,4м	0,8м
Показатель ошибок в слове	1/104	1/104

Указанные значения ошибки псевдодальности не учитывают вклада, обусловленного условиями распространения сигнала (многолучёвость, тропосферные и ионосферные эффекты), а также погрешностей эфемеридной информации и часов спутников GPS и ГЛОНАСС.

Уровни сигнала, указанные в данном разделе, получены при условии, что минимальный коэффициент усиления стандартной антенны при угле места более 5 равен минус 4,5дБ относительно изотропной антенны круговой поляризации. При этом предполагается, что максимальное значение коэффициента усиления антенны в нижней полусфере равно минус 10дБик. Для антенн, отличных от стандартной и имеющих другой минимальный коэффициент усиления при угле места 5, должны использоваться другие уровни сигнала помехи, при этом соотношение уровней помехи и полезного сигнала должно поддерживаться неизменным.

Размещено на Allbest.ru