Автореферат (Повышение точности определения навигационных параметров вертолета при посадке на корабль)

На правах рукописиКишко Дмитрий ВладимировичПовышение точности определения навигационных параметров вертолетапри посадке на корабльСпециальность: 05.12.14 – «Радиолокация и радионавигация»АВТОРЕФЕРАТна соискание учёной степеникандидата технических наукМосква - 2016Работа выполнена на кафедре 402 «Радиосистемы и комплексы управления, передачиинформации и информационная безопасность» ФГБОУ ВО «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:Фомин Анатолий Ивановичкандидат технический наук, доцент, профессор кафедры 402ФГБОУВО«Московскийавиационныйинститут(национальный исследовательский университет)»Официальные оппоненты:Бетанов Владимир Вадимовичдоктортехническихнаук,член-корреспондентРАРАН,профессор, начальник центра АО «Российские космическиесистемы»Шатилов Александр Юрьевичкандидаттехническихнаук,доценткафедры«Радиотехнические системы» ФГБОУ ВО «Национальныйисследовательский университет «МЭИ»Ведущая организация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Центральный научно-исследовательский институтмашиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш)Защита диссертации состоится 19 апреля 2016 г.

в 14.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) по адресу 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута(национальногоисследовательскогоуниверситета)инасайтеhttp://www.mai.ru/events/defence/?ELEMENT_ID=63989.Автореферат разослан «___»___________2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.03доктор технических наукСычев М.И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииДля захода и посадки вертолета на палубу корабля используются различные системы,которые обеспечивают летчика достоверной и непрерывной навигационной информацией опространственномположениивертолета относительно корабля.Повышениеточностиопределения навигационных параметров (координат, скоростей, ориентации вертолетаотносительно корабля) позволяет выполнять заход и посадку вертолета в автоматизированномрежиме даже в сложной гидрометеорологической обстановке.

В настоящее время наиболеераспространенный способ обеспечения автоматизированной посадки основан на использованиинавигационных приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС),установленных на корабле и летательном аппарате и работающих в дифференциальном режиме.Следует отметить, что радиолинии передачи информации космическими аппаратами (КА) внавигационные приемники (НП) потребителей ГНСС обладают низкой помехоустойчивостьюпри воздействии организованных помех. Этот недостаток объясняется малым отношениемсигнал/шум на входе НП ввиду большой дальности между КА и НП и является существеннымпрепятствием при использовании ГНСС не только в военных, но и в гражданских авиационныхпосадочных комплексах.

В связи с этим интенсивно развиваются альтернативные подходы кобеспечению безопасной автоматизированной посадки.Одним из перспективных направлений для обеспечения автоматизированной посадкивертолета на палубу корабля является использование локальных радионавигационных систем(ЛРНС), обладающих большей энергетикой по сравнению с ГНСС и позволяющих обеспечитьпомехозащиту и автономность работы радиосистемы в условиях воздействия помех. В ГНССвысокая точность определения навигационных параметров достигается за счет использованияинформационной избыточности измерений и обеспечения низкого коэффициента геометрии Кг ,который связывает дисперсию ошибки измерений с дисперсией определения навигационныхпараметров вертолета. Коэффициент геометрии в ГНСС зависит от взаимного положения НП иКА, измерения которых участвуют в процессе обработки. В первом приближении можнополагать, что расстояние между соседними КА сопоставимо с расстоянием между КА и НП и втиповой ситуации коэффициент геометрии равен Кг,ГНСС ≈ 2.

В ЛРНС при ограниченныхразмерах площади размещения передающих устройств на палубе корабля расстояние междупередающими устройствами значительно меньше расстояния до вертолета, заходящего напосадку, вследствие чего коэффициент геометрии значительно больше, чем в ГНСС Кг,ЛРНС ≫Кг,ГНСС , что приводит к значительному увеличению погрешности определения навигационныхпараметров вертолета при его удалении от корабля. Разработка методов, обеспечивающих3повышение точности определения навигационных параметров вертолета при заданныхограничениях, является актуальной задачей.ЛРНС могут быть использованы при развертывании мобильных автономных системавтоматизированной посадки беспилотных летательных аппаратов, данная проблематикаособенно актуальна в настоящее время в связи с высокими темпами развития беспилотнойавиации.Основные усилия в области исследования и разработки ЛРНС касаются в основномназемных вариантов их исполнения.

При этом имеются достаточно существенные различияморских и наземных ЛРНС, что требует их отдельного исследования. Так, например, в морскомварианте исполнения необходимо учитывать качку корабля при заходе и посадке вертолета.Принципыфункционирования,основныепараметрыитактико-техническиехарактеристики существующих коммерческих систем автоматизированной посадки вертолетана палубу корабля, например, таких как DeckFinder, в известной автору литературераскрываются неполно.Объект и предмет диссертационного исследованияОбъектом исследования является локальная радионавигационная корабельная системапосадки вертолета.Предметомисследованияявляютсяметодыповышенияточностиопределениянавигационных параметров (координат и скоростей) вертолета морской авиации привыполнении захода и посадки на палубу в автоматизированном режиме с использованиемкорабельной локальной радионавигационной системы.Цель и задачи работыЦельюдиссертационнойработыявляетсяповышениеточностиопределениянавигационных параметров вертолета при посадке на корабль в результате разработки иисследования алгоритмов вторичной обработки сигналов ЛРНС.

В диссертационной работе всоответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:1) Обоснована структура ЛРНС, обеспечивающих автоматизированную посадку вертолета напалубу корабля.2) Проведен сравнительный анализ помехозащиты аппаратуры ГНСС и ЛРНС.3) Разработаныметодысинхронизациипередающихустройствкорабельныхрадионавигационных модулей ЛРНС, обеспечивающие их совместное когерентноеизлучение без применения процедур калибровки приемо-передающих трактов в процессеработы системы.4) Показано, что при ограниченном количестве корабельных радионавигационных модулейпорядка 4-8 и большом коэффициенте геометрии, реализуемом, как правило, в системах с4малыми базами, известные алгоритмы вторичной обработки измерений псевдодальности,псевдодоплера и псевдофазы, основанные на рекуррентных алгоритмах оценивания,являются при определенных условиях расходящимися, либо формируют оценки параметровс погрешностью, неудовлетворяющей требованиям автоматизированной посадки.5) Разработан алгоритм многомодальной фильтрации, позволяющий увеличить точностьопределения навигационных параметров за счет обработки псевдофазовых измерений иприменения процедуры разрешения целочисленной неоднозначности.6) Проведен сравнительный анализ разработанного алгоритма с алгоритмами вторичнойобработки, применяемыми на практике.7) Разработана с использованием среды Matlab модель алгоритмов вторичной обработкисигналов, выполнена оценка точности и сходимости алгоритмов.8) Решеназадачапараметрическойоптимизацииразмещенияантеннкорабельныхнавигационных модулей ЛРНС на палубе с учетом ограничений на возможные положениявертолета и конструктивные особенности корабля.9) Проведен анализ влияния смещения фазовых центров антенн корабельных навигационныхмодулей на погрешность определения координат вертолета и приведены рекомендации дляуменьшения данного влияния.Научная новизна работы1) Разработаны методы синхронизации радионавигационных модулей ЛРНС, позволяющиеобеспечитькогерентностьизлученияпередающихустройствмодулейсосреднеквадратической погрешностью не хуже 0,6 рад, что соответствует задержке повремени фазы несущего колебания равной 10 пс при несущей частоте f0 =10ГГц.Предложенный подход обеспечивает синхронизацию по полезному сигналу в фоновомрежиме при одновременном выполнении целевой функции системы и не требуетприменения дополнительных процедур калибровки, использования дополнительнойаппаратуры и имеет погрешность сравнимую с погрешностью дорогостоящих процедурсинхронизации.2) Разработан алгоритм многомодальной фильтрации на основе адаптации теории линейногорекуррентного оценивания на класс нелинейных задач с применением процедурыразрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений.

Анализ показал,что предлагаемый алгоритм позволяет снизить вероятность появления аномальной ошибкиразрешения целочисленной неоднозначности в 20 раз, что позволяет уменьшитьсреднеквадратическую погрешность определения координат вертолета в 10 и более раз посравнению с линейным подходом.53) Разработана имитационная модель определения навигационных параметров вертолета сиспользованием измерений параметров радиосигналов локальной радионавигационнойкорабельнойсистемыпосадки,позволившаяпровестисравнительныйанализразработанного алгоритма с известными аналогами, решить задачу параметрическойоптимизации размещения навигационных модулей на корабле и определить допустимыесмещения фазовых центров антенн навигационных модулей.Практическая и теоретическая значимость работы1) Рассмотренныепринципыпостроенияифункционированиялокальныхрадионавигационных корабельных систем посадки вертолета на палубу могут бытьиспользованы при проектировании радионавигационных систем автоматизированногозахода и посадки пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов на вертолетныеплощадкиморскихбуровыхплатформ,стационарныеаэродромыиназемныенеподготовленные площадки.2) Разработанныеметодысинхронизациимогутприменятьсявмногопозиционныхрадиолокационных системах с малыми базами для обеспечения когерентного излученияпространственно-распределенных передающих устройств;3) На основе теории линейного рекуррентного оценивания с использованием неоднозначныхпсевдофазовых измерений разработана ранее не встречающаяся в теории модификацияалгоритма многомодальной фильтрации, позволяющая снизить вероятность появленияаномальной ошибки в 20 раз по сравнению с линейным алгоритмом.4) Разработанный алгоритм многомодальной фильтрации может применяться при обработкефазовых измерений в наземных и авиационных когерентно-импульсных радиолокационныхстанциях, многобазовых пеленгаторах и при определении навигационных параметровобъекта по сигналам ГНСС.5) Результаты анализа влияния смещений фазовых центров антенн радионавигационныхмодулей корабельного сегмента и параметрической оптимизации размещения модулей накорабле могут быть использованы на этапах проектирования и развертывания корабельныхЛРНС.Методы исследованияВ диссертационном исследовании были использованы методы теории вероятности иматематической статистики, математического анализа, линейной алгебры и аналитическойгеометрии, статистической теории радиотехнических систем, теории оптимальной фильтрациислучайныхпроцессов,программирования.Впроцессеисследованияприменялоськомпьютерное моделирование, учитывались рекомендации и нормативные документы ИКАО иМСЭ, а также материалы периодической печати.6Основные положения, выносимые на защиту1) Принципы построения и функционирования корабельных локальных радионавигационныхсистем, которые в отличие от действующих спутниковых радионавигационных системпозволяют в условиях воздействия организованных помех определять навигационныепараметры вертолета с погрешностью, требуемой для автоматизированной посадки напалубу корабля, за счет повышения энергетики радиосистемы, обеспечения когерентностиизлучаемых сигналов и применения фильтрационных алгоритмов обработки псевдофазовыхизмерений с разрешением целочисленной неоднозначности.2) Методы синхронизации пространственно-разнесенных модулей корабельного сегмента, нетребующиепроведениякалибровкиприемо-передающихтрактовмодулейиобеспечивающие когерентное излучение со среднеквадратической погрешностью не хуже0,6 рад в процессе работы системы по целевому радиосигналу, в результате совместнойобработки измерений параметров излучаемых радиосигналов и использовании данных опространственном положении фазовых центров антенн.3) Алгоритм многомодальной фильтрации псевдофазовых измерений, позволяющий увеличитьобласть сходимости до 70 %, что снижает вероятность появления аномальной ошибки в 20раз по сравнению с линейным подходом за счет уменьшения влияния ошибки линеаризации,модификации правила выбора наиболее правдоподобной моды на шаге коррекции инормировки функции правдоподобия.4) Имитационная модель корабельной радионавигационной системы захода и посадкивертолета на палубу корабля, позволяющая проводить анализ различных алгоритмоввторичной обработки и показавшая, что разработанный алгоритм многомодальнойфильтрации по сравнению с известными аналогами условиях высокого коэффициентагеометрииКг ≫ 2обеспечиваетуменьшениесреднеквадратическойпогрешностиопределения координат в 10 и более раз.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов обуславливается использованием адекватногостатистическогоиматематическогоаппарата,представленнойметодикойпроведениявычислительных экспериментов и многократной повторяемостью результатов, а такжеподтверждается соответствием полученных результатов с результатами, представленными вобщедоступной литературе.Внедрение результатов работыОсновные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Радиотехническийинститут им.