Использование имитатора сигналов CH-3803М для моделирования спутниковой радионавигации летательных аппаратов [Электронный ресурс] : [учеб. пособие]

84 Pages·2018·50.573 MB·Russian

by  Крамлих А. В.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
А. В. КРАМЛИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМИТАТОРА СИГНАЛОВ СН-3803М
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ
РАДИОНАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
САМАРА
Издательство СГ АУ
УДК 629.78(075)
ББК 39.6я7
K ill
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. П. Макаров;
д-р техн. наук, проф. И. А. Тимбай
КрамлихА. В.
К 777 Использование имитатора сигналов СН-3803М для моделирования
спутниковой радионавигации летательных аппаратов [Текст]: учеб.
пособие /А. В. Крамлих. - Самара: Изд-во СГАУ, 2013. - 84 с.
ISBN 978-5-7883-0929-3
В учебном пособии рассмотрены вопросы использования имитатора сигналов
СН-3803М для моделирования спутниковой радионавигации летательных аппаратов.
Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлениям 010900 «При­
кладные математики и физика» (магистерская программа «Космические информаци­
онные системы и наноспутники. Навигация и дистанционное зондирование»),
160400 «Ракетные комплексы и космонавтика» (магистерская программа «Перспек­
тивные космические технологии и эксперименты в космосе»), при выполнении лабо­
раторных, курсовых работ, при дипломном проектировании, при выполнении выпу­
скной квалификационной работы магистра, а также в научных исследованиях в об­
ласти использования спутниковых радионавигационных технологий.
УДК 629.78(075)
ББК 39.6я7
ISBN 978-5-7883-0929-3 © Крамлих А.В., 2013
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2013
ВВЕДЕНИЕ
Определение пространственного положения и скорости потреби­
теля - это основа для решения задачи управления подвижным потре­
бителем. Решение задачи навигации с использованием спутниковых
радионавигационных систем в настоящее время получила большое
распространение благодаря глобальности, оперативности и всепогод-
ности решения указанной задачи для различных потребителей, в том
числе и для высоко динамичных (самолёт, космический аппарат). Од­
нако при применении спутниковых радионавигационных систем не­
обходимо учитывать динамику движения потребителя, естественные и
искусственные условия распространения радиоволн, а также собст­
венную геометрию подвижного объекта.
Влияние указанных факторов на решение навигационной задачи
целесообразно исследовать с использованием специализированного
оборудования и программного обеспечения. Данный подход не только
позволит проектировать навигационную аппаратуру потребителей с
учётом его динамики и конструктивных особенностей, но и тестиро­
вать алгоритмическое навигационное обеспечение, не прибегая к лёт­
ному эксперименту.
В данном учебном пособии изложены вопросы моделирования
спутниковой радионавигации летательных аппаратов с использовани­
ем имитатора сигналов СН-3803М и специализированного програм­
много обеспечения - «Среда создания сценариев».
Учебное пособие состоит из трёх глав. Первая глава основана на
материалах интерфейсных контрольных документов спутниковых
радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS [1,2], радионавигацион­
ных планов Российской Федерации [3] и США [4], справочных посо­
бий [5,6,7,8]. Рассмотрены основы спутниковой радионавигации: тре­
бования к спутниковым радионавигационным системам, структура
спутниковых радионавигационных систем, источники погрешностей
радионавигационных измерений, спутниковые радионавигационные
системы ГЛОНАСС и GPS.
Во второй главе, написанной на основе руководства оператора
специализированного программного обеспечения рабочей стан­
ции [10], рассмотрена среда создания сценариев: приведены основ­
3
ные сведения об имитаторе, структура сценария, вопросы формиро­
вания навигационного поля спутниковых радионавигационных сис­
тем и процедура реализации сценария.
В третьей главе, написанной на основе научного издания [11],
приведено решение ряда задач, необходимых для верификации рабо­
ты навигационной аппаратуры потребителя.
4
1. ОСНОВЫ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИИ
В настоящее время функционирующими являются две спутнико­
вые радионавигационные системы (СРНС): Глобальная навигационная
спутниковая система (ГЛОНАСС, Россия) [1] и Глобальная система
позиционирования (GPS, США) [2].
В названии российской СРНС (ГЛОНАСС) отражено более широ­
кое поле применения такой системы.
В названии американской СРНС в противовес термину навигаци­
онный введен термин позиционирование как наиболее адекватный за­
просам широкого круга пользователей.
В настоящее время спутниковые радионавигационные технологии
(СРНТ), развивающиеся на базе использования СРНС, являются са­
мым быстро развивающимся сегментом использования результатов
космической деятельности для повышения качества жизни людей и
динамичного развития различных секторов экономики.
Основным достоинством СРНС является их глобальность, опера­
тивность, всепогодностъ.
1.1. Требования к спутниковым радионавигационным системам
До последнего времени создание спутниковых радионавигацион­
ных навигационных систем осуществлялось в соответствии с требо­
ваниями, определяемыми их первоначальным целевым предназначе­
нием. Общими при этом были качественные требования глобально­
сти, независимости от гидрометеорологических условий, подсти­
лающей поверхности, рельефа местности, окружающей растительно­
сти, застройки, времени суток и года, непрерывности, неограничен­
ной пропускной способности, практической независимости от высоты
над поверхностью земли и других условий движения определяюще­
гося объекта, помехозащищенности и др.
Однако использование спутниковых систем в интересах местооп-
ределения и навигации гражданских объектов (самолетов и вертоле­
тов, морских и речных судов, автомобилей, топопривязчиков и др.)
выдвигает и новые, более высокие требования, вытекающие из необ­
ходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а
также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка,
поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие
транспортных средств и людей).
5
Требования к точностным характеристикам, таким как средне­
квадратические ошибки определения навигационных параметров, по­
казателям надежности навигационного обеспечения и др. следующие:
• доступность (готовность), мерой которой является вероятность
работоспособности навигационных систем перед выполнением
той или иной задачи и в процессе ее выполнения;
• целостность, мерой которой является вероятность выявления от­
каза в течение времени, равного заданному или менее;
• непрерывность обслуживания, мерой которой служит вероят­
ность работоспособности системы в течение наиболее ответст­
венных отрезков времени движения (выполнения задачи).
Требования к навигационному обеспечению различных граждан­
ских объектов, реализуемому, в частности, с помощью СРНС, впер­
вые в Российской Федерации сформулированы, обобщены и приведе­
ны в Радионавигационном плане Российской Федерации [3], подго­
товленном с участием специалистов заинтересованных ведомств и
служб.
Они учитывают также положения документов таких международ­
ных организаций, как ИКАО (Международная организация граждан­
ской авиации), ИМО (Международная морская организация), а также
ряда национальных радионавигационных планов других стран, на­
пример, США [4].
Требования авиационных потребителей
В воздушном транспорте определены следующие фазы (этапы)
полета воздушных судов:
• взлет и выход в исходный пункт маршрута (трассы);
• полет по маршруту (маршрутный полет);
• полет в зоне аэродрома (терминальный полет);
• некатегорированный (неточный) заход на посадку;
• заход и посадка по категориям ИКАО.
Требования к навигационному обеспечению на каждом этапе раз­
личны.
Для маршрутного этапа полета воздушных судов установлены ка­
тегории районов (зон):
• океаническая (безориентирная местность);
• внутренняя континентальная (местная) линия;
• зоны выполнения специальных задач.
6
Первоначально сформулированные требования воздушных потре­
бителей к точности определения места при заходе на посадку и по­
садке по категориям ИКАО, а также при полете по маршруту и в зоне
аэродрома в зависимости от решаемых задач приведены соответст­
венно в табл. 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1. Требования воздушных потребителей при заходе и посадке
по категориям
Высота над взлетно- Требования к погрешностям (СКП)
Категория посадочной полосой боковая ошибка вертикальная ошибка
посадки (ВПП) для проверки, (м) (м) (м)
I 30,0 4,5-8,5 1,5-2,0
II 15,0 2,3-2,6 0,7-0,85
III 2,4 2,0 0,2 - 0,3
Таблица 1.2. Требования воздушных потребителей к точности определения
координат для различных решаемых задач__________________________
Решаемые задачи Зона полета Точность определения
координат (СКП), м
Полет воздушного судна: 1. Над океаном (без- 5800
а) полет по маршруту ориентирная мест­
ность)
2. Воздушные трассы 2500
шириной 20 км
3. Воздушные трассы 1250
шириной 10 км
4. Местные воздушные 500
линии:
• I категории 250
• II категории 230
5. Воздушные трассы
при использовании
метода зональной
навигации
б) полет в зоне аэродрома 200
в) некатегорированный (не­ 50
точный) заход на посадку
г) специальные полеты, в 1...10
том числе для решения гео­
физических и геодезических
задач, разведки полезных
ископаемых, поиска и спасе­
ния, аэрофотосъемки и т.д. с
обеспечением возможности
определения площадей уча­
стков территорий при облете
по контуру
7
Требования воздушных потребителей позднее были развиты и до­
полнены требованиями к доступности, целостности и непрерывности,
которые зависят от этапов полета, интенсивности движения и приво­
дятся в составе требуемых навигационных характеристик RNP.
Требуемые навигационные характеристики (RNP)
Непрерывный рост объемов авиаперевозок предъявляет постоянно
возрастающие требования к пропускной способности воздушного
пространства и обуславливает необходимость его оптимального ис­
пользования. Эти факторы, в том числе возможность обеспечения
эксплуатации за счет использования спрямленных маршрутов, а также
повышенная точность современных навигационных систем, предо­
пределили появление концепции RNP.
Концепция RNP определяет характеристики средств навигации в
пределах определенного района воздушного пространства, и поэтому
оказывает влияние как на воздушное пространство, так и на воздуш­
ное судно.
Специальный комитет ИКАО по будущим аэронавигационным
системам отметил, что наиболее широко использовавшийся в про­
шлом метод обеспечения требуемых навигационных возможностей
основывался на обязательном наличии определенного состава обору­
дования. Такой подход ограничивал оптимальное применение совре­
менного бортового оборудования. Кроме того, с появлением спутни­
ков в дальнейшем использование этого метода возлагает на ИКАО
решение сложной задачи, связанной с выбором оборудования. Для
преодоления этих проблем комитет разработал концепцию требуемых
навигационных характеристик (RNP).
Они предназначены характеризовать воздушное пространство с
помощью показателя точности выдерживания навигационных харак­
теристик (типа RNP), которая должна обеспечиваться в пределах этого
воздушного пространства.
Считается, что тип RNP определяет точность выдерживания нави­
гационных характеристик всеми пользователями и при всех сочетани­
ях навигационных систем в пределах некоторого воздушного про­
странства.
RNP могут устанавливаться для маршрута, ряда маршрутов, рай­
она, объема воздушного пространства, которые выбираются специа­
листами по воздушному планированию или полномочными органами.
Установленные RNP при этом будут определять необходимый
уровень бортового оборудования и инфраструктуру воздушного про­
странства.
Определены 6 типов RNP при полетах по маршрутам на основе
точности выдерживания навигационных характеристик с вероятно­
стью 95%:
• RNP1 = 1,85 км (1,0 морская миля);
• RNP4 = 7,4 км (4,0 морских мили);
• RNP5 = 9,2 км (5,0 морских мили);
• RNP10 =18,5 км(10 морских миль);
• RNP12,6 = 23,3 км (12,6 морских мили);
• RNP20 = 37,0 км (20,0 морских миль).
Тип RNP1 предусматривается для обеспечения наиболее эффек­
тивных полетов по маршрутам организации воздушного движения
(ОВД) в результате использования наиболее точной информации о
местоположении, а также для обеспечения полетов и организации
воздушного пространства при переходе из зоны аэродрома к требуе­
мому маршруту и в обратном порядке.
Тип RNP4, RNP5 предназначается для маршрутов ОВД и схем
воздушного пространства, основанных на ограниченном расстоянии
между навигационными средствами. Этот тип предназначен для ис­
пользования в континентальном воздушном пространстве.
Тип RNP10, RNP12,6 обеспечивает ограниченную оптимизацию
маршрутов в районе с пониженным уровнем обеспечения навигацион­
ными средствами, в любом контролируемом воздушном пространстве
в любое время.
Тип RNP20 - это минимальный уровень, который должен обеспе­
чиваться любым ВС в любом контролируемом воздушном простран­
стве в любое время.
Требуемые навигационные характеристики (RNP) для посадки,
готовности (доступности) приведены [3].
Требования космических потребителей
Для перспективных космических аппаратов (КА) различного целе­
вого назначения предусматривается значительное повышение эффек­
тивности решения целевых задач с одновременным повышением ав­
тономности их функционирования. Это вызывает резкое возрастание
требований к навигационному обеспечению (НО) КА, которые не мо­
гут быть обеспечены традиционными наземными средствами НО и
требуют использования бортовых средств НО.
9
При этом навигационные приемники СРНС ГJ10HACC становятся
неотъемлемой частью бортового комплекса управления (БКУ) КА,
информация от которых используется как для уточнения орбитальных
параметров движения центра масс (ПДЦМ) КА, так и для планирова­
ния целевых задач в БКУ.
Основные требования к точности определения ПДЦМ и ориента­
ции перспективных КА бортовыми средствами навигационного обес­
печения представлены в табл. 1.3, 1.4.
Таблица 1.3. Требования к точности бортовых средств навигационного
обеспечения перспективных КА
№ Погрешность определения ПДЦМ
Классы КА Примечание
п/п (3 СКП)
1 КА связи и не хуже 600 м по всем координа­
ретрансляции там
2 КА навигационного 15м- вдоль орбиты и в боковом Погрешности снижаются
обеспечения направлении, 10 м - по высоте в соответствии с положе­
ниями ФЦП «Глобальная
навигационная система»
3 КА геодезического 1 м вдоль орбиты и в боковом
обеспечения направлении, 1 м по высоте
4 КА системы обна­ 100 м по всем координатам
ружения терпящих
бедствие объектов
5 КА геофизического 50... 150 м по всем координатам
обеспечения
Из таблицы 1.3 следует, что наибольшие требования по точности
НО предъявляются к бортовым средствам КА навигационного и гео­
дезического обеспечения, а по точности ориентации - к бортовым
средствам КА связи и навигации.
Требуемая точность - среднеквадратическая погрешность (СКП)
навигационного обеспечения других КА, разгонных блоков, орби­
тальных станций составляет 20...30 м. Для выполнения ряда ответст­
венных динамических операций КА (сближение КА, спуск и посадка
КА на Землю и т.п.), а также решения ряда высокоточных задач нави­
гации, геодезии, геодинамики, картографии и др. с использованием
10