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

2ОглавлениеВведение ........................................................................................................................... 5Глава 1. Методы и средства посадки вертолета на палубу корабля ........................ 181.1 Требования к морским системам посадки летательного аппарата ................ 181.2 Классификация навигационных систем посадки вертолета ........................... 221.2.1 Автономные навигационные системы ....................................................... 231.2.2 Визуальные (оптические) системы............................................................. 241.2.3 Радиосистемы ближней и дальней навигации .......................................... 241.2.4 Системы инструментальной посадки летательного аппарата ................. 251.2.5 Спутниковые радионавигационные системы ............................................

261.2.6 Локальные радионавигационные системы посадки ................................. 281.2.7 Радиолокационные системы посадки......................................................... 291.3 Помехозащищенность глобальных навигационных спутниковых систем ... 301.4 Средства учета качки корабля и ориентации вертолета при посадке ........... 371.5 Постановка задачи исследования ......................................................................

411.5 Выводы по главе 1 ............................................................................................... 43Глава 2. Принципы построения локальных радионавигационных систем посадкивертолета на палубу корабля ........................................................................................

442.1 Обобщенная структурная схема локальной радионавигационной системыпосадки ....................................................................................................................... 442.2 Формирование и обработка радиосигналов локальных радионавигационныхкорабельных систем посадки ................................................................................... 452.3 Влияние многолучевого распространения сигналов ....................................... 542.4 Математические модели измерений параметров радиосигналов локальныхрадионавигационных систем.................................................................................... 602.5 Методы синхронизации передающих устройств корабельного сегмента .... 6532.5.1 Двухсторонний метод синхронизации приемо-передающих модулей ..

682.5.2 Односторонние методы синхронизации с передающими и однимприемным модулями ............................................................................................. 812.5.3Сравнениеметодовсинхронизациипередающихустройстврадионавигационных модулей .............................................................................

852.6 Выводы по главе 2 ............................................................................................... 88Глава 3. Анализ алгоритмов определения навигационных параметров вертолета влокальных радионавигационных системах посадки на палубу корабля ................. 893.1 Классификация алгоритмов определения навигационных параметроввертолета .................................................................................................................... 893.2 Линеаризация математических моделей измерений и представление их вматричном виде ......................................................................................................... 963.3 Анализ алгоритмов определения навигационных параметров вертолета приобработке псевдофазовых измерений .....................................................................

993.4 Модифицированный алгоритм многомодальной фильтрации ..................... 1043.4.1Анализэффективностиприменениямодификацийалгоритмамногомодальной фильтрации............................................................................. 1133.5 Выводы по главе 3 .............................................................................................

123Глава 4. Исследование характеристик работы локальных радионавигационныхсистем посадки вертолета на палубу корабля .......................................................... 1254.1 Оптимизация размещения навигационных модулей на корабле ................. 1254.2 Методика исследования точности определения навигационных параметроввертолета ..................................................................................................................

1294.3 Анализ точности определения координат и скоростей вертолета ............... 1344.3.1 Сравнительный анализ точности алгоритмов определения координат искоростей без разрешения целочисленной неоднозначности ........................ 13544.3.2 Анализ характеристик точности модифицированного алгоритмамногомодальной фильтрации............................................................................. 1394.3.4 Анализ влияния смещения фазовых центров антенн на погрешностьопределения координат ...................................................................................... 1444.4 Выводы по главе 4 .............................................................................................

146Заключение .................................................................................................................. 148Список сокращений и условных обозначений ......................................................... 150Список литературы ..................................................................................................... 152Приложение А .............................................................................................................

1595ВведениеАктуальность темы диссертацииДля обеспечения захода и посадки вертолета на палубу корабляиспользуются различные системы, которые позволяют летчику в короткийпромежуток времени принять решение и выработать набор действий дляосуществления безопасной посадки. Для уменьшения влияния человеческогофакторапроцедурызаходаипосадкивертолетовнапалубукорабляавтоматизируют путем определения навигационных параметров вертолета(координат, скоростей, ориентации) относительно корабля на основе информацииот измерительных систем. В настоящее время перспективным для обеспеченияавтоматизированнойпосадкисчитаетсяиспользованиенавигационныхприемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС),работающих в дифференциальном режиме.

Следует отметить, что радиолинииизмеренияинавигационныепередачиинформацииприемники(НП)космическимипотребителейаппаратамиГНССобладают(КА)внизкойпомехоустойчивостью при воздействии организованных помех. Этот недостатокобъясняется малым отношением сигнал/шум на входе НП ввиду большойдальности между КА и НП и является существенным при использовании ГНСС нетолько в военных, но и в гражданских системах.

В связи с этим в последнее времяразвиваютсяальтернативныеподходыкобеспечениюбезопаснойавтоматизированной посадки.Однимизавтоматизированнойперспективныхпосадкинаправленийвертолетанапалубудляобеспечениякорабляявляетсяиспользование локальных радионавигационных систем (ЛРНС), обладающихбольшей энергетикой по сравнению с ГНСС и позволяющих обеспечитьпомехозащиту и автономность работы радиосистемы в условиях воздействияпомех. В ГНСС высокая точность определения навигационных параметровдостигается за счет использования информационной избыточности измерений иобеспечения низкого коэффициента геометрии Кг , который связывает дисперсию6ошибки измерений с дисперсией определения навигационных параметровпотребителя. Коэффициент геометрии, зависит от взаимного положения НП и КА,измерения которых участвуют в процессе обработки.

В первом приближенииможно полагать, что расстояние между соседними КА сопоставимо с расстояниеммежду КА и НП и в типовой ситуации коэффициент геометрии равен Кг,ГНСС ≈ 2.В ЛРНС расстояние между передающими устройствами, при ограниченныхразмерах площади размещения на палубе, значительно меньше расстояния довертолета, заходящего на посадку, вследствие чего коэффициент геометриизначительно больше, чем в ГНСС Кг,ЛРНС ≫ Кг,ГНСС . Поэтому одним изсущественных недостатков ЛРНС является значительное увеличение ошибкиопределения навигационных параметров вертолета при его удалении от корабля.Ввиду этого, разработка новых методов, обеспечивающих повышение точностиопределения навигационных параметров вертолета, является актуальной задачей.ЛРНСмогутбытьиспользованыприразвертываниимобильныхавтономных систем автоматизированной посадки пилотируемых и беспилотныхлетательных аппаратов вертолётного типа на необорудованных площадкахназемного базирования.

Данная проблематика особенно актуальна в настоящеевремя в связи с высокими темпами развития и применения беспилотныхлетательных аппаратов.На текущий момент основные усилия в области исследования и разработкилокальных радионавигационных систем направлены на развитие наземныхвариантов исполнения данных системы [1, 2, 3]. Несмотря на кажущиеся сходстваморских и наземных локальных радионавигационных систем, существуютнекоторые различия. Так, например, в морском варианте исполнения необходимоучитывать качку корабля при заходе и посадке вертолета. Использованиетрадиционных подходов,радионавигационныхприменяемых в наземном варианте, в локальныхсистемахкорабельногобазированиятребуетдополнительных исследований.Принципы функционирования, основные параметры и тактико-техническиехарактеристикисуществующихкоммерческихсистемавтоматизированной7посадки вертолета на палубу корабля, например, таких как DeckFinder, визвестной автору литературе [4, 5] раскрываются не полно.Объект и предмет диссертационного исследованияОбъектомисследованияявляетсялокальнаярадионавигационнаякорабельная система посадки вертолета.Предметомисследованияявляютсяметодыповышенияточностиопределения навигационных параметров (координат и скоростей) вертолетаморскойавиацииприавтоматизированномвыполнениирежимесзаходаипосадкииспользованиемнапалубукорабельнойвлокальнойрадионавигационной системы.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы является повышение точности определениянавигационных параметров вертолета в результате разработки и исследованияалгоритмоввторичнойобработкиизмеренийпараметроврадиосигналовлокальной радионавигационной системы корабельной посадки.В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе былирешены следующие задачи:1) Обоснованаструктуралокальныхрадионавигационныхсистем,обеспечивающих автоматизированную посадку вертолета на палубу корабля;2) Проведено сравнение помехозащиты аппаратуры ГНСС и ЛРНС.3) Разработаны методы синхронизации передающих устройств корабельныхрадионавигационных модулей ЛРНС, обеспечивающие когерентное излучениебез применения процедур калибровки приемо-передающих трактов в процессеработысистемы.Показано,чтосреднеквадратическаяпогрешностьсинхронизации в разработанных методах не превышает значения 10 пс призначении несущей частоты f0 =10ГГц.4) Показано,чторадионавигационныхприограниченноммодулейибольшомколичествекоэффициентекорабельныхгеометрии,8реализуемым, как правило, в системах с малыми базами, известные алгоритмывторичнойобработкиизмеренийпсевдодальности,псевдодоплераипсевдофазы, основанные на рекуррентных алгоритмах оценивания, являютсяпри определенных условиях расходящимися, либо обладают погрешностьюоценки параметров, неудовлетворяющей требованиям автоматизированнойпосадки.5) Разработан алгоритм многомодальной фильтрации на основе адаптации теориилинейного рекуррентного оценивания псевдофазовых измерений на класснелинейных задач с применением процедуры разрешения целочисленнойнеоднозначности,позволяющийувеличитьточностьопределениянавигационных параметров за счет обработки псевдофазовых измерений иприменения процедуры разрешения целочисленной неоднозначности приограниченном числе модулей и плохом геометрическом факторе Кг ≫ 2.6) Проведен сравнительный анализ разработанного алгоритма, в результатекоторого получены среднеквадратические погрешности оценки координат искоростей вертолета относительно корабля при посадке не хуже σс ≤ 0.2м иσv ≤ 0.7 м/с соответственно.7) Разработана с использованием среды Matlab модель алгоритмов вторичнойобработки сигналов и проведено моделирование, результаты котороговключают оценки точности и сходимости алгоритма, подтверждающие егоадекватную работу.8) Решена задача параметрической оптимизации размещения антенн корабельныхнавигационных модулей ЛРНС на палубе с учетом возможных положенийвертолета и конструктивных особенностей корабля;9) Проведен анализ влияния смещения фазовых центров антенн корабельныхнавигационных модулей на погрешность определения координат вертолета иприведены рекомендации для уменьшения данного влияния.9Научная новизна работы1) Разработаны методы синхронизации радионавигационных модулей ЛРНС,позволяющие обеспечить когерентность излучения передающих устройствмодулей со среднеквадратической погрешностью не хуже 0,6 рад, чтосоответствует задержке по времени фазы несущего колебания равной 10 пс принесущейчастотеf0 =10ГГц.Предложенныйподходобеспечиваетсинхронизацию по полезному сигналу в фоновом режиме при одновременномвыполнениицелевойдополнительныхфункциипроцедурсистемыкалибровки,инетребуетиспользованияприменениядополнительнойаппаратуры и имеет погрешность сравнимую с погрешностью дорогостоящихпроцедур синхронизации.2) Разработан алгоритм многомодальной фильтрации на основе адаптации теориилинейного рекуррентного оценивания псевдофазовых измерений на класснелинейных задач с применением процедуры разрешения целочисленнойнеоднозначности.