Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы.

На правах рукописи

Горбачев Олег Анатольевич

НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ В УСЛОВИЯХ

ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ.

Специальность 05.22.13 – Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА – 2009

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Нечаев Е.Е.

Официальные оппоненты:

Лукин Д.С., профессор, доктор физико-математических наук;

Кораблев А.Ю., профессор, доктор технических наук;

Рубцов В.Д., профессор, доктор технических наук.

Ведущая организация: ОАО Московское конструкторское бюро «Компас».

Защита состоится «___» ___________________ 2009г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу:

125993, г. Москва, А-493, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «___» ___________________ 2009г.

Заверенный отзыв просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С.К. Камзолов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На долю воздушного транспорта в общем объеме перевозок в Российской Федерации приходится более трети всего пассажирооборота и существенная часть грузоперевозок. Особую роль в процессе эксплуатации воздушного транспорта играет проблема обеспечения регулярности и безопасности полетов, включающая в себя множество составляющих, важнейшая из которых – организация и надежность функционирования системы УВД. Как известно, система УВД является достаточно сложной, многоуровневой системой, в которую входит широкий комплекс технических средств. Источниками информации для системы УВД в настоящее время служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические средства навигации, средства связи и другое радиооборудование.

Любой сбой в работе системы УВД потенциально может привести к авиационному происшествию или катастрофе. Анализ авиационных происшествий показывает, что наиболее распространенными их причинами является нарушение правил эшелонирования и потеря экипажем ориентации в пространстве при заходе на посадку.

Очевидно, что обе причины связаны с недостаточной эффективностью навигационного обеспечения ВС, которое в настоящее время в основном обеспечивается традиционными средствами навигации, большинство из которых являются радионавигационными системами (РНС).

Основными проблемами, возникающими при использовании традиционных РНС, является увеличение количества передаваемой по радиоканалу информации, повышение помехоустойчивости этого радиоканала и точности выделения навигационной информации. Кроме того, большинство современных традиционных РНС используют для передачи навигационной информации УКВ-радиоканалы, что существенно ограничивает дальность их действия. Использование в качестве носителя навигационной информации низкочастотных радиоволн неэффективно из-за их сильного затухания при распространении и ограничения количества переносимой волной информации.

Перечисленные недостатки традиционных РНС привели к тому, что в концепции ICAO CNS/ATM предусмотрена организация навигационного обеспечения ВС ГА на базе спутниковых систем навигации (ССН).

ССН имеет ряд преимуществ перед традиционными РНС:

• глобальность действия, которая следует из самой структуры системы;
• высокая точность позиционирования и независимость от внешних условий, которые обеспечиваются характеристиками сигнала, применяемого для передачи навигационной информации;
• неограниченная пропускная способность, вытекающая из принципа действия системы;
• возможность реализации дифференциального режима с использованием базовых элементов системы.

В настоящее время, в связи с началом внедрения в систему УВД некоторых элементов концепции ICAO CNS/ATM, значительно ужесточились требования к качеству навигационного обеспечения ВС, что приводит к необходимости повышения целостности, надежности и точности позиционирования ССН.

Принцип работы ССН основан на передаче кодированных радиосигналов от навигационного спутника (НС) к пользовательскому оборудованию (ПО), работающему в пассивном режиме. Источник навигационной информации здесь заключен в самом сигнале. Это априори подразумевает наличие погрешностей позиционирования, вызванных отличными от традиционных РНС причинами.

Погрешности позиционирования ССН можно отнести к трем типам:

1. Погрешности, связанные с качеством навигационного сигнала – ошибки эфемерид, в том числе обусловленные влиянием на НС возмущений гравитации, давления солнечного ветра, сдвига магнитных полюсов Земли и ошибки спутниковых часов (в том числе обусловленные релятивистскими и гравитационными эффектами при движении по круговым орбитам);
2. Погрешности, связанные с несовершенством ПО – ошибки часов ПО, шумовые, вычислительные погрешности, погрешности дискретизации;
3. Погрешности, вносимые средой распространения сигнала – ионосферная и тропосферная рефракция, изменение траектории сигнала вследствие многолучевого распространения.

Количественные значения погрешностей определения координат в технически исправной ССН определяются условиями распространения навигационного сигнала, которые, в свою очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако многочисленные исследования показывают, что при любых условиях основной вклад в ошибки позиционирования ССН дает атмосфера. При этом установлена прямая зависимость между величиной ошибки позиционирования 3-го типа и полным электронным содержанием (ПЭС), представляющим собой количество электронов в радиальном относительно поверхности Земли столбе единичного сечения околоземного космического пространства (ОКП).

Для примера на рис.1, по данным с официального сайта GPS, показано влияние различных факторов на точность определения координат в ССН GPS.

Следует отметить, что на этапе разработки ССН считалось, что влиянием среды, в которой происходит распространение их сигналов, можно пренебречь. В период первоначальной эксплуатации ССН погрешности, вносимые средой, не имели определяющего влияния на точность позиционирования вследствие превалирования над ними ошибок 1-го и 2-го типов. Однако сегодня значительно ужесточаются требования определенных групп потребителей навигационной информации к качеству навигационного обеспечения. Кроме того, ряд технических и программных решений позволил значительно снизить влияние на качество навигационного обеспечения ошибок 1-го и 2-го типов. Это привело к тому, что на сегодняшний день среда распространения сигналов НС является главной причиной ошибок позиционирования ССН, причем, в силу природного характера этих ошибок, уменьшить их техническими средствами невозможно.

Анализ данных, приведенных на рис.1 показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов ССН, вносит ионосфера. Тропосферная погрешность имеет намного меньшую величину вследствие малости высотной протяженности тропосферы (1520 км) по сравнению с ионосферой (500 км). Кроме того, для большинства задач воздушной навигации тропосферная погрешность при использовании модели стандартной тропосферы лежит в пределах требуемой точности местоопределения.

Итак, ионосфера дает основной вклад в величину ошибок позиционирования ССН. При этом необходимо заметить, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешностей ССН. Кроме того, в настоящее время установлено, что ионосфера является единственной причиной (нетехнического характера) сбоев в работе ССН, что также особенно явно проявляется во время ионосферных возмущений.

Отметим, что в двухчастотном ПО проблема компенсации ионосферных погрешностей решена с достаточной точностью. Однако навигационное обеспечение ВС ГА по ряду причин экономического и технического характера построено на использовании в качестве бортового оборудования одночастотного ПО, для которого проблема компенсации ионосферных погрешностей, в силу вышесказанного, имеет важное значение.

Таким образом, возникает актуальная научная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов гражданской авиации путем уменьшения ионосферных погрешностей ССН.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности навигационного обеспечения ВС гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы при использовании в качестве основного средства навигации одночастотных приемников ССН. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• проведен анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные ССН;
• проведен анализ погрешностей ССН, обусловленных средой распространения сигналов НС, дисперсионных характеристик ОКП в низко- и высокочастотной областях спектра и сравнительный анализ моделей ионосферы относительно точности представления ионосферных параметров и возможности использования в программном обеспечении одночастотного ПО;
• исследован процесс взаимодействия низкочастотных (НЧ) волн с ОКП с целью расчета вклада данного типа взаимодействия в ионосферные погрешности ССН;
• разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП, с целью её использования в качестве инструмента уменьшения ионосферных погрешностей ССН;
• в рамках модели определено влияние возмущенной по концентрации ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних и высоких широтах;
• на основе модели определено влияние на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы в высоких широтах;
• Разработано физико-математическое и аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО;
• разработана и экспериментально апробирована методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
• в рамках представленной методики проведено экспериментальное исследование влияния нерегулярных вариаций ионосферных параметров на точность позиционирования ССН, изучены возможные воздействия ионосферных возмущений на работу ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС ГА;
• проведено экспериментальное исследование качества разнесенного приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС.

Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы и ОКП, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, численные методы, методы математического моделирования, пакеты прикладных математических и навигационных программ, а также экспериментальные исследования с помощью навигационного оборудования стандартного и специализированного назначения.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера», учитывающая процессы взаимодействия «волна-частица» в ОКП, с возможностью интегрирования в программное обеспечение одночастотного ПО. На основе модели определено влияние возмущенной по концентрации и волновой активности ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних, высоких и субавроральных широтах. Предложена методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО, с помощью которой изучено влияние нерегулярных возмущений ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с выработкой рекомендаций по оптимальному расположению их антенн относительно друг друга на борту ВС.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Определены последствия регулярных возмущений ПЭС на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА с использованием расчетов суточных вариаций ПЭС на средних и высоких широтах в условиях спокойной и возмущенной ионосферы;
2. Показана возможность появления сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА в высокоширотной ионосфере из-за наличия в ней области аномального рассеяния сигналов ССН;
3. Показано, что в авроральной ионосфере имеются регулярные источники НЧ излучения, существенно влияющие на навигационное обеспечение ВС ГА вследствие потери работоспособности РНС НЧ диапазона, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix;
4. На основе разработанной методики определения ионосферных погрешностей ССН экспериментально подтверждено существование ранее теоретически предсказанных нерегулярных возмущений ПЭС, а также обнаружено новое свойство ионосферы – наличие в ней крупномасштабных периодических возмущений ПЭС с частотами 3 5 миллигерц;
5. Определены последствия нерегулярных возмущений ионосферы на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА;
6. На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между антеннами размещенных на борту ВС одночастотных приёмников, позволяющее повысить эффективность приема сигналов ССН.

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по ПЭС ионосферы на средних и высоких широтах;
2. Результаты теоретического исследования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности высокоширотной и субавроральной ионосферы;
3. Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на измерении разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС и её физико-математическое обеспечение;
4. Результаты экспериментальных исследований воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА нерегулярных вариаций ПЭС, полученных на основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS;
5. Методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований качества приема сигналов НС двумя одночастотными приемниками GPS с имитацией размещения их антенн на борту ВС.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, ГосНИИ ГА, ОАО Московское КБ “Компас”, ИГУ, ИрГУПС, что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на использовании общепринятых достижений физики околоземного космического пространства, применении апробированных программных продуктов, корректности методов математического моделирования на ПЭВМ, согласованности экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований на серийно выпускаемых навигационных приемниках, с результатами других авторов.

Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на: V Международном симпозиуме КАПГ, г. Мурманск, 1989г., Х Международном семинаре по моделированию ионосферы, г. Казань, 1990г., XIII Научной конференции ученых ИрГТУ, г. Иркутск, 2004г., Секции «Физика околоземного пространства» Байкальской школы фундаментальной физики, г. Иркутск, 2006-2007гг., 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо, г. Севастополь, 2008г., Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященная 85-летию Гражданской авиации России, г. Москва, МГТУ ГА, 2008г., ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2003 – 2008 гг., ежегодных научных семинарах кафедры радиофизики физического факультета ИГУ в 2005 – 2008 гг., научно-техническом семинаре кафедры УВД факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА в 2008г.

Публикация результатов. Основные результаты диссертации представлены в 27 научно-технических статьях, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 291 страниц текста, 82 рисунка, 15 таблиц, 4 листинга программ и библиографию из 247 наименований. Общий объем работы 324 страницы.

Содержание работы

Во введении дана постановка задачи, обоснована актуальность темы, сформирована цель и задачи исследований, изложена структура диссертации.

В первой главе диссертационной работы приведены требования к навигационному обеспечению воздушных судов ГА в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, определяющей ССН в качестве основного средства навигации. Их сравнение с количественными значениями требований к ССН, приведенных в Российском радионавигационном плане, показывает, что точностные характеристики ССН удовлетворяют требованиям авиационных потребителей при полетах по маршруту и некатегорированном заходе на посадку.