коверзнев евгений анатольевич

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коверзнев, Евгений Анатольевич

1. Анализ эффективности алгоритмов навигационных определений объектов, терпящего бедствие, в системе Коспас-Сарсат в условиях местности со сложным рельефом.

1.1. Анализ влияния затенения рельефом местности на вероятность определения местоположения терпящего бедствия с использованием средств системы Коспас-Сарсат.

1.2. Анализ влияния эффекта многолучевости на качество функционирования канала передачи навигационных данных в системы Коспас-Сарсат.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Андрей Георгиевич

1. Методы улучшения характеристик канала передачи данных при комплексировании средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

1.1. Требования к каналам передачи данных в системах навигации, посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

1.2. Уменьшение позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

1.3. Улучшение характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет использования навигационной поддержки.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Имитационное моделирование помех в каналах передачи навигационных поправок в спутниковых системах навигации и посадки и навигационных данных в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдениям.

2.1. Анализ характеристик помех в каналах передачи данных дифференциальных подсистем спутниковых РНС и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

2.2. Формирование модели атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах передачи данных, учитывающей эксплуатационные условия.

2.3. Выводы по главе 2.

3. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при корреляционной обработке.

3.1. Потенциальная эффективность систем передачи данных по каналам связи с негауссовыми квазиимпульсными помехами

3.2. Анализ помехоустойчивости и эффективности блочных кодов.

3.3. Анализ помехоустойчивости и эффективности сверточных кодов.

3.4. Сравнительный анализ эффективности блочных и сверточных кодов при передаче данных по каналу с квазиимпульсными помехами и корреляционной обработке

3.5. Выводы по главе 3.

4. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при квазиоптимальной обработке.

4.1. Анализ помехоустойчивости квазиоптимального алгоритма обработки в условиях действия квазиимпульсных помех.

4.2. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и блочном кодировании.

4.3. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и сверточном кодировании.

4.4. Сравнительный анализ эффективности блочных и и сверточных кодов при передаче данных по каналу с квазиимпульсными помехами и квазиоптимальной обработке.

4.5. Выводы по главе 4.

Похожие диссертации на Навигационное обеспечение поисково-спасательных работ в местности со сложным рельефом на базе спутниковых и автономных средств навигации

По методу получения информации о курсовом угле радиостанции (в нашем случае АРМ) современные АРК подразделяются на амплитудные и фазовые. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки. Произведем сравнительный анализ использования данных типов АРК для решения задач поиска и спасения объектов, терпящих бедствие, в предлагаемой локальной системе поиска и спасения. В качестве критериев оценки при анализе возьмем следующие параметры: 1. Сложность схемотехнической реализации АРК. 2. Точность определения курсового угла АРМ в условиях мнголучевого канала распространения сигнала. Сначала произведем выбор антенной системы. В существующих на сегодняшний день АРК в качестве антенной системы применяются 2 схемы: антенная система, состоящая из 2-х взаимно перпендикулярных рамочных антенн; антенная система, состоящая из набора вертикально установленных четвертьволновых вибраторов. Использование первой схемы позволяет создать антенную систему меньших размеров. При этом с учетом физического построения рамки данная антенная система принимает как горизонтально, так и вертикально поляризованную волну, что, в конечном счете, приводит к ухудшению точности определения углового положения АРМ с помощью АРК в условиях многолучевого канала распространения сигнала. Использование в качестве антенной системы набора четвертьволновых вибраторов позволяет уменьшить влияние преотраженных компонент с горизонтальной поляризацией волны на качество работы АРК. С учетом того, что основной целью разработки предлагаемой локальной системы поиска и спасения является повышение вероятности обнаружения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом, где возрастает влияние эффекта многлучевости на качество работы радиотехнических систем, в антенной системе АРК целесообразнее использовать четвертьволновые вибраторы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением»

Актуальность работы. Повышение точности местоопределения воздушного судна (ВС) с помощью бортовых средств навигации, связанное, в первую очередь, с внедрением в практику самолетовождения спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), делает возможным и целесообразным расширение функциональных возможностей высокоточных средств навигации.

Тем не менее существует несколько НЗ, для решения которых традиционно используются узкоспециализированные системы. К ним, в частности, относятся задачи захода на посадку и посадки ВС, задачи ближней навигации, управления воздушным движением (УВД).

Между тем большая часть проблем навигации ВС и УВД может быть решена комплексно при использовании СРНС, в чем и состоит переход на спутниковую технологию в рамках реализации концепции создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения (CNS/ATM).

Повышение уровней точности, доступности и целостности (с применением RA1M — автономного контроля целостности в аппаратуре потребителей (АП)) достигается увеличением числа навигационных космических аппаратов (КА) СРНС за счет использования связных геостационарных КА (ГКА) типа Инмарсат, на которых устанавливается ретранслятор навигационных сигналов СРНС, а также развертыванием сети широкозонных корректирующих (ШКС), главных (ГКС) станций и наземных станций передачи данных (НСПД), осуществляющих, соответственно, сбор данных о состоянии навигационного поля, их обработку и передачу корректирующей информации на ГКА и потребителям.

В РФ в настоящее время высокие требования к навигационному обеспечению ВС частично удовлетворяются с помощью наземного и бортового оборудования радиотехнических систем ближней навигации (РСБН, маяки VOR/ДМЕ), приводных радиостанций (ПРС), метровых и дециметровых систем типа ИЛС и ГТРМГ. Соответствующее бортовое оборудование имеется на большинстве ВС. Эти системы, разработанные еще в 50-х годах, морально и физически устарели. Кроме того, существующая аэронавигационная система не полной мере удовлетворяет требованиям к регулярности полетов ВС, не полностью охватывает районы полетов (например, кроссполярные и трансполярные трассы), а также не учитывает новые тенденции развития навигационного обеспечения ВС в рамках концепции CNS/ATM.

Приказом ФАС РФ № 61 от 1998г. начато оборудование ВС бортовой аппаратурой СРНС ГЛОНАСС и GPS в качестве дополнительного средства применительно к полетам по маршруту. Однако наибольшие выгоды при использовании СРНС получаются в том случае, если они имеют статус основных средств на всех этапах полета ВС, включая заход на посадку и саму посадку, что может быть обеспечено с помощью дополнений СРНС — широкозонных и локальных дифференциальных подсистем (ШДПС и ЛДПС).

Реализация этих предложений позволит существенно сократить расходы РФ на оборудование трасс и аэродромов для посадки по 1-й категории ИКАО, а также обеспечить у нас полеты зарубежных ВС, оборудованных перспективным спутниковым оборудованием.

Кроме того, это облегчит решение задачи автоматизации УВД путем внедрения перспективной технологии автоматического зависимого наблюдения (АЗН), при которой навигационные данные о местоположении ВС, полученные в СРНС и уточненные за счет дополнения ее ШДПС, передаются в систему УВД. При этом, если для передачи данных используется спутниковая система связи (ССС) типа Инмарсат, то при размещении Земной станции (ЗС) системы в зональном центре (ЗЦ) УВД дальнейшая передача данных в районные центры (РЦ) может осуществляться традиционными средствами с помощью ДКМВ и MB станций, оснащенных модемом. Заметим, что функции ЗС очевидно могут выполнять и НСПД, входящие в ШДПС.

Комплексирование средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением требует исследования взаимного влияния комплексируемых систем. С одной стороны, при автоматической передаче навигационных данных по каналу связи конечное время синхронизации последнего приводит к возникновению позиционных ошибок местоопределения ВС за счет «старения» навигационных данных. Соответственно, возникает проблема поиска путей уменьшения этих ошибок за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

С другой стороны, при комплексировании средств радиосвязи и радионавигации появляется возможность улучшения характеристик связного канала путем его навигационной поддержки, физическими предпосылками к чему являются наличие функционально связанных параметров связных и навигационных сигналов и информационная избыточность измерений.

Актуальность исследования устойчивости авиационных каналов передачи данных к воздействию интенсивных атмосферных помех обусловлена возрастающими требованиями к регулярности полетов и, соответственно, имеющей место тенденцией к снижению норм метеоминимумов, поскольку уровень атмосферных помех напрямую связан с грозовой активностью атмосферы.

Общий недостаток этих моделей — невозможность получения двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи в аналитическом виде, которое необходимо для оценки эффективности помехоустойчивых кодов при наличии коррелированных ошибок в канала, в частности пакетов ошибок, характерных для каналов с негауссовыми квазиимпульсными помехами типа атмосферных и индустриальных.

Помеховая обстановка, в которой приходится работать цифровым системам передачи данных на различных этапах полета (полеты по трассе, над неосвоенными и индустриально развитыми районами, полеты в сельской местности и маневрирование в зоне аэродрома), может сильно изменяться. Необходимо знать, как будут изменяться характеристики помехоустойчивости канала передачи данных с кодированием при изменении типа и импульсности помех при линейном и квазиоптимальном нелинейном приеме. Эти данные позволяют выбрать для определенного частотного диапазона подходящие методы кодирования, модуляции и обработки сигналов. Поэтому исследование характеристик помехоустойчивых кодов при линейном и нелинейном приеме в различной помеховой обстановке весьма актуально.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим заи висимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Определение требований к каналам передачи данных в системах навигации и посадки и управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

2. Анализ возможности уменьшения позиционных ошибок местооп-ределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

3. Анализ возможности улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет навигационной поддержки системы синхронизации связного канала.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора модели квазиимпульсных помех в авиационных каналах передачи данных MB и ДКМВ диапазонов и процедур их имитационного моделирования.

5. Оценка потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности авиационных каналов передачи данных с негауссовыми квазиимпульсными помехами.

6. Анализ эффективности блочных и сверточных помехоустойчивых кодов и процедуры перемежения данных в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.

Методы исследований. В работе используются методы теории вероятностей, теории случайных процессов и статистических испытаний на ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложены методы улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации, основанные на совершенствовании системы синхронизации связного канала и его навигационной поддержке, а также с использованием аналитических моделей индустриальных и атмосферных помех и экспериментальных данных по ним методами имитационного моделирования произведен анализ эффективности использования помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи данных по MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен метод уменьшения позиционных ошибок местоопре-деления ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

2. Синтезирован квазиоптимальный алгоритм совместной обработки дискретно-непрерывной информации системы передачи данных и сигналов с выхода приемоиндикатора спутниковой РНС и методами стохастического моделирования на ЭВМ произведен сравнительный анализ точностных и динамических характеристик комплексированной и некомплексирован-ной систем.

3. Дана оценка потенциальной частотной и энергетической эффективности канала передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

4. Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных с использованием-логарифмически нормальной модели огибающей импульсной составляющей квазиимпульсной помехи.

5. На основе предложенной методики моделирования квазиимпульсных помех дана оценка эффективности блочных и сверточных кодов, а также процедур перемежения данных в MB и ДКМВ каналах передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.

На защиту выносятся:

1. Метод уменьшения позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

2. Алгоритм совместной обработки навигационной информации и информации, передаваемой по каналу передачи данных в комплексированной системе связи и навигации, предназначенной для обеспечения полетов воздушных судов.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости при моделировании MB и ДКМВ каналов передачи данных имитационной модели квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных, базирующейся на аналитическом описании вероятностных характеристик выбросов огибающей помехи и экспериментальных данных о степени им-пульсности помехи.

4. Результаты оценки потенциальной энергетической и частотной эффективности MB и ДКМВ каналов передачи данных в системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

5. Результаты сравнительного анализа эффективности различных помехоустойчивых кодов и процедур перемежения данных и рекомендации по построению кодеков в MB и ДКМВ каналах передачи данных спутниковых систем навигации, посадки и УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

— повысить достоверность передачи данных по MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением;

— улучшить точностные и динамические характеристики навигационного и связного каналов в комплексированных системах радионавигации и радиосвязи, используемых для обеспечения навигации и посадки воздушных судов и управления воздушным движением;

— повысить безопасность и регулярность полетов воздушных судов за счет уменьшения влияния индустриальных и атмосферных помех на качество функционирования систем навигации, посадки и управления воздушным движением.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторсском бюро «Компас» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г. Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002 г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, МГТУ ГА, 2003г.).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка использованных источников и приложе’ ния.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Андрей Георгиевич, 2003 год

1. Шебшаевич B. C., Дмитриев П. П., Иванцевич Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993.

2. Ярлыков М. С., Чижов О. П. Субоптимальные алгоритмы приема к комплексной обработки квазикогерентных сигналов спутниковой радионавигационной системы. Радиотехника, 1996, № 1.

3. Соловьев Ю. А. Системы спутниковой навигации. М.: Радио и связь, ИТЦ «Эко-Трендз», 2000.

4. Соловьев Ю. А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 2.

5. Кинкулькин И. Е. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 2.

6. Кинкулькин И. Е., Рубцов В. Д., Фабрик М. А. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1979.

7. Loh R., Nil Aileen S. Wide area augmentation system (WAAS). Design for growh in both national and international environments. D SNS-96, St. Petersburg, May 1996.

8. Steciv A., et al. Europe pursuing a broad multimodal satellite navigation programme as its contribution to GNSS. I CAOJ., 1997, v. 52, № 9.

9. Keiji Fukumoto, Kenji Abe. First of several japanese satellites designed for aeronautical use in scheduled for launch in 199. I CAOJ., 1997, v. 52, № 9.

10. Добавление В к «Проекту руководства по требуемым навигационным характеристикам для выполнения заходов на посадку, посадок и вылетов». Материалы AWOP/16-ДР/З, Монреаль, 23.6.97 4.7.97.

11. Российский радионавигационный план., версия 2. М.: НТЦ «Интернавигация», 1997.

12. R TCA/DO-17. Minimum aviation system performance standards DGNSS instrument approach system: Special Category I (SCAT-I), August, 1993.

13. Blomenhofer H., Mattissek A. The new DASA-NFS ground station family for use in civil aviation. Proc. of DSNS-96, Add. vol 1, St. Petersburg, May 1996, Paper № 17.

14. Differential GNSS for safe and accurate landings. Рекламный проспект фирмы DAS A, 1996.

15. Спутниковая система посадки. Рекламный проспект фирмы Honeywell, Honeywell Inc., 1997.

16. Edvard N. Skomal man-made noise in M/V frequency range. Microwave Jornal, 1975, № 10.

17. Edvard N. Skomal comparative radio noise levels of transmission lines, automative traffic and RF stabilized arc welders. I EEE Transactions on Electromagnetic Compartibility, 1967, v. E MC-9, № 2.

18. Распределение по Земному шару атмосферных помех и их характеристики. Документы X пленарной ассамблеи МККР. Отчет 322. М.: Связь, 1965.

19. Disney R. T., Spaulding A. D. Amplitude and time statistics of atmospheric and man-made radio noise. Report ERL-150-ITS-98. U.S. Department of Commerce, Wash., Febr. 1970.

20. Шелухин О. И., Беляков И. В. Негауссовские процессы. С.Петербург: Политехника, 1992.

21. Зюко А. Г., Коробков Ю. Ф. Теория передачи сигналов. М.: Связь,1972.

22. Величкин А. И., Азаров Г. С., Саютин Ю. В. Средства связи и системы передачи данных ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1985.

23. Holl Н. М. A new model for impulsive phenomena, aplication to atmospheric noise communication chanels. Techn. Rep. № 3412-8 and 7050-7, Stanford, California, 1966.

24. Басалаев M. JT. Аппроксимация статистических свойств канала связи обобщенной степенной моделью. Радиотехника и электроника, 1983, т. X XYIII, № 11.

25. Бусленко Н. П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.

26. Рубцов В. Д. Выбросы огибающей атмосферного шума. Радиотехника и электроника, 1977, т. X XII, № 1.

27. Oetting J. D. A comparision of modulation techniques for digital radio. I EEE Transactions on Communications, 1989, v. Com.-27, № 12.

28. Золотник Б. М. Помехоустойчивые коды в системах связи. М.: Радио и связь, 1989.

29. Зюко А. Г., Фалько А. И., Панфилов И. П. и др. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.: Радио и связь, 1985.

30. Кларк Д., Кейн Д. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987.

31. Антонов О. Е. Оптимальное обнаружение сигналов в негауссовых помехах. Обнаружение полностью известного сигнала. Радиотехника и электроника, 1967, т. X II, № 4.

32. Рубцов В. Д. Оптимизация приемного тракта в условиях атмосферного шума. Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, 1978, вып. 7.

33. Disney R. T., Spaulding A. D. Amplitude and time statistics of atmospheric and man-made radio noise. Report ERL-150, ITS-98, U. S. Department of commerce, Wash., Febr. 1970.

34. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. Под ред. А.Д. Фортушенко. М.: Связь, 1970.

35. Логвин А. И., Небусев С. В. Квазикогерентный прием сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой. Межвузовский сборник научных трудов «Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации». Рига: РКИИГА, 1983.

36. Петрищев В. И. Синтез оптимальной по быстродействию системы ФАПЧ первого порядка. В кн.: Труды учебных институтов связи, вып. 48. М.: МЭИС, 1970.

37. Фельдбаум А. А. Вопросы статистической теории системы автоматической оптимизации. В кн.: Труды первого конгресса ИФАК, т. 2. М.: АН СССР, 1962.

38. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники, кн. 1. М.: Советское радио, 1966.

39. Тихонов В. И., Харисов В. Н., Смирнов В. А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника, 1978, т. X XIII, № 7.

40. Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигация. М.: Радио и связь, 1981.

41. Андреев А. Г. Позиционные ошибки местоопределения воздушного судна при автоматической передаче навигационных данных в центр управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №62.

42. Андреев А. Г. Улучшение характеристик канала передачи данных за счет навигационной поддержки в спутниковых системах навигации и управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 62.

43. Spaulding A. D., Ahlbeck W. H., Espeland L. R. Urbun residental man-made radio noise analisis and predictions telecommunications reseach and engineering, Wash., Gov. print off. 1971. Rpt. 14, ITS.

44. Spaulding A. D., R. T. Disney. Man-made radio noise, p. 1, Wash. Cov. print off, 1974.

45. Spaulding A. D., Washburn J. S. Atmospheric radio noise: world-wide levels and other characteristics, Wash. Cov. print off, 1985.

47. Beckman P. Amplitude-probability distribution of atmospheric radio noise. Radio Science, 1964, v. 68D, № 6.

48. Рубцов В. Д. Оптимизация приемного тракта в условиях квазиимпульсных помех. Известия вузов СССР. Радиоэлектроника, 1979, т. X XII, №4.

49. Бусленко Н. П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.

50. Рубцов В. Д., Зайцев А. Н. О применимости логарифмически нормальной модели для вероятностного описания квазиимпульных помех. Радиотехника и электроника, 1984, t. XXIX, № 8.

51. Huang G. C., Goldman R., Schulz R. B. Interference characteristics of streamer discharges. I EEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1970, v. 12, №2.

52. Сборник научных программ на Фортране. Вып. 2 / Пер. с англ. Под ред. С.Я. Виленкина. М.: Статистика, 1974.

53. Программирование, отладка и решение задач на ЭВМ единой серии. Язык Фортран. Под ред. И.А. Кудряшова. J L: Энергоатомиздат, 1983.

54. Тихонов В. И., Кульман Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

55. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. Под ред. М.Абрамовица и И. Стиган ./ Пер. с англ. М.: Наука, 1979.

56. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь,1982.

57. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963.

58. Окунев Ю. В. Передача цифровой. информации фазо-манипулированными сигналами. М.: Радио и связь, 1991.

59. Валеев В. Г., Сосулин Ю. Г. Многоканальный прием сигналов на фоне помех при негауссовых распределениях наблюдаемых данных. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1970, № 2.

60. Modestino J. W. Adaptive detection of signals in impulsive noise envi-roments, IEEE Transactions on Communications, 1977,v. C OM-25, № 9.

61. Rappaport S. S., Kurz L. An optimal nonlinear detector for digital data transmission through non gaussian chanels. I EEE Transactions on Communication Technology, 1966, v. C OM — 14, № 3.

62. Spaulding A., Middlton D. Optimum reseption in an impulsive interference enviroment Part I: Coherent detection. I EEE Transactions on Communications, 1977, v. C OM — 25, №. 9.

63. Spaulding A., Middlton D. Optimum Reseption in an Impulsive Interference Enviroment Part II: Incoherent detection. I EEE Transactions on Communications, 1977, v. C OM-25, Лг° 9.

64. Рубцов В. Д., Зайцев A. H. О непараметрических свойствах фазового метода приема квазигармонического сигнала в условиях совместного действия аддитивных и мультипликативных помех. Радиотехника, 1986, № 6.

65. Копцев А. А. Анализ помехоустойчивости оптимального алгоритма приема сигналов в условиях действия импульсных помех. В кн.: Алгоритмы помехоустойчивого приема радиотехнических сигналов: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1989.

66. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979.

67. Рубцов В. Д. Распределение мгновенных значений атмосферного шума при узкополосном приеме. Радиотехника и электроника, 1975, т. X X,ю.

68. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. М.: Наука, 1971.

69. Титчмарш Е. Введение в теорию интегралов Фурье. M.-JL: Гос-техиздат., 1948.

70. Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

71. Рубцов В. Д. О двумерной функции распределения фазы смеси сигнала с шумом. Радиотехника и электроника. 1969, т. X IY.

72. Андреев А. Г. Имитационное моделирование атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах связи. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 61.

73. Андреев А. Г. Потенциальная эффективность систем передачи информации по каналам с квазиимпульсными помехами. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54.

74. Андреев А. Г. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах связи систем УВД с АЗН и посадки на основе СРНС при корреляционном приеме и квазиимпульсных помехах. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54.

75. Андреев А. Г. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах связи систем УВД с АЗН и посадки на основе СРНС приквазиоптимальном приеме и квазиимпульсных помехах. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №61.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Андреев, Андрей Георгиевич

Данная глава посвящена, в основном, исследованию вопросов применения помехоустойчивого кодирования для повышения эффективности систем передачи информации в условиях действия квазиимпульсных атмосферных радиопомех, имеющих место в авиационных каналах связи ДКМВ диапазона (его длинноволновой части). Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Переход от корреляционнной обработки сигналов в приемнике к квазиоптимальной позволяет существенно увеличить помехоустойчивость передачи данных. При этом наибольший эффект достигается для случая атмосферных помех.

2. При квазиоптимальном приеме сигналов в авиационных каналах связи с квази импульсным и помехами при ограничении полосы частот избирательностью по соседнему каналу индустриальная радиопомеха является более опасной нежели атмосферная.

3. Как и при корреляционном приеме увеличение отношения сигнал/шум является неэффективным методом повышения помехоустойчивости систем передачи информации (СПИ). Энергетическая эффективность СПИ при этом снижается.

4. Использование помехоустойчивого кодирования данных позволяет существенно увеличить помехоустойчивость и эффективность квазиоптимальных СПИ, особенно в условиях действия атмосферных помех.

5. Особенностью использования блочных помехоустойчивых кодов при квазиоптимальном приеме, в отличие от использования их при корреляционном приеме, является то, что средние значения Ре, достаточные для получения положительного эффекта от кодирования, достигаются на выходе демодулятора при малых и средних значениях ОСШ. Это позволяет использовать не только длинные, но и средние помехоустойчивые блочные коды для получения требуемого уровня помехоустойчивости (Ре = 10″5) на выходе канала передачи данных.

7. Эффективность процедур перемежения — деперемежения, влияние его закона и глубины на помехоустойчивость передачи при квазиоптимальном приеме заметно ниже, чем при корреляционном, в особенности для длинных блочных кодов. Однако необходимость в его использовании сохраняется при использовании коротких блочных или сверточных кодов.

8. Передача навигационной информации по цифровым каналам связи в ДКМВ диапазоне в условиях действия атмосферных помех может быть осуществлена при квазиоптимальном приеме сигналов при использовании как сверточного, так и блочного кодирования. При необходимости в этом канале может быть обеспечена вероятность ошибки в одном информационном символе от 10″5 до 10″9 в зависимости от используемого кода, глубины и закона перемежения при ОСШ не более 15 dB.

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи повышения достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен метод уменьшения позиционных ошибок местоопре-деления ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД,, основанный на оптимизации по быстродействию систем слежения за частотой и временной задержкой сигнала с предварительной их грубой синхронизацией.

2. Синтезирован алгоритм совместной обработки информации при комплексировании систем радиосвязи и радионавигации, позволяющий улучшить характеристики обеих комплексируемых систем.

3. Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных в каналах передачи данных систем навигации и посадки и систем управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением на основе СРНС, позволяющая легко сопрягать параметры модели с экспериментальными данными о помехах.

4. Дана оценка потенциальной частотной и энергетической эффективности канала передачи данных в системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия индустриальных и атмосферных помех.

5. Дана оценка эффективности блочных и сверточных кодов в MB и ДКМВ каналах передачи данных с квазиимпульсными помехами систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигналов.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Одним из основных факторов, ограничивающих возможность передачи навигационных данных в системе УВД с автоматическим зависимым наблюдением по цифровому каналу связи, является конечное время его синхронизации, приводящее к появлению дополнительных позиционных ошибок местоопределения ВС. Использование предложения по усовершенствованию системы синхронизации связного канала позволяет при передаче данных со скоростью 600 бит/сек и выше практически полностью устранить влияние дополнительных позиционных ошибок.

2. Характеристики канала передачи данных в комплексированных системах радиосвязи и радионавигации, предназначенных для обеспечения навигации и посадки ВС и использования в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением, могут быть существенно улучшены за счет навигационной поддержки связного канала. Предложенный алгоритм совместной обработки информации в навигационном и связном каналах позволяет в несколько раз уменьшить вероятность ошибочного приема символов информационного сообщения, а также существенно улучшить точностные и динамические характеристики системы синхронизации связного канала.

3. Каналы передачи данных MB и ДКМВ диапазонов, используемые в спутниковых системах навигации и посадки ВС и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением, наиболее подвержены воздействию индустриальных и атмосферных помех, в связи с чем их помехозащищенность определяет, в основном, помехозащищенность указанных систем.

4. Воздействие на канал передачи данных индустриальных помех при линейном (корреляционном) приеме цифровых сигналов в MB диапазоне приводит к резкому снижению помехоустойчивости. При этом увеличение отношения сигнал/шум (ОСШ) неэффективно. Например, для случая параметра, характеризующего степень импульсности помехи Va — 5 dB и л вероятности ошибки на выходе демодулятора Ре = 2 • 10″ проигрыш в энергетической эффективности канала Р составляет 17 dB.

5. Переход от линейной обработки сигналов в приемнике к квазиоптимальной (нелинейной с ограничением смеси) позволяет увеличить помехоустойчивость передачи данных, причем наибольший эффект достигается для случая атмосферных помех, характерных для длинноволновой части ДКМВ диапазона. Например, для атмосферной помехи с = 5 dB выигрыш составляет 9,3 dB при Ре=Ъ • 10″3. Как и при линейном приеме увеличение ОСШ в целях повышения помехоустойчивости оказывается неэффективным. При нелинейном приеме сигналов в авиационных каналах связи с квазиимпульсными помехами наиболее опасной помехой является индустриальная помеха, а при линейном — атмосферная.

6. Эффективным средством повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи данных при линейном и нелинейном приеме сигналов в условиях действия квазиимпульсных помех является помехоустойчивое кодирование. При этом проигрыш в частотной эффективности ^компенсируется выигрышем в энергетической эффективности Д Например, применение простейшего сверточного кода (7,5) и использование процедур перемежения позволяет получить при проигрыше в у, равном 3 dB выигрыш в /?: — для индустриальной радиопомехи (Vd = 5 dB, Ре = 10″4, линейный прием) не менее 40 dB; для атмосферной помехи (Vd = 5 dB, Ре = 10~6, нелинейный прием) не менее 25 dB.

7. При линейном приеме использование блочных кодов для исправления ошибок в цифровых системах передачи данных по авиационным каналам связи с квазиимпульсными помехами нецелесообразно в силу низкой помехоустойчивости. Например, для индустриальной помехи с Vd = 5 dB использование блочного кода (73, 45, 10), эффективного для гауссовых помех, и процедур перемежения обеспечивает вероятность ошибки Ре — 5 • 10″5 при ОСШ 15 dB. Использование сверточного кода (171, 133), требующего приблизительно тех же затрат, при тех же условиях обеспечивает Ре = 1,6 • 10″ . При нелинейном приеме для исправления ошибок могут быть использованы как сверточные, так и блочные коды, т.к. они легко обеспечивают требуемую вероятность ошибки Ре = 10″5.

8. Эффективность процедур перемежения оказывается наибольшей при линейном приеме и коротких блочных кодах. Например, для короткого кода (23, 12, 7) (индустриальная помеха, Vd = 5 dB, Ре-Ъ • 10″, линейный прием) выигрыш составляет 9,9 dB при глубине перемежения т = 20. При переходе от линейного приема к нелинейному и от коротких кодов к длинным эффективность перемежения снижается. Например, для длинного кода (73, 45, 10) (атмосферная помеха, Vd—%dB,Pe = 10″6, нелинейный прием) выигрыш составил 0,3 dB при т = 20 символов.

9. При передаче данных по цифровым каналам MB диапазона в силу относительно невысокой испульсности помех для достижения вероятности ошибки в одном бите передаваемой информации 10″5 может быть использован как линейный, так и нелинейный прием. При этом при линейном приеме заданная помехоустойчивость может быть достигнута лишь при сверточном кодировании и перемежении данных (при ОСШ менее 15 dB). При нелинейном приеме могут быть использованы также и блочные коды.

10. При передаче данных по цифровым каналам ДКМВ диапазона вероятность ошибки 10″5 может быть получена лишь при нелинейном приеме с использованием помехоустойчивого кодирования и применением процедур перемежения данных (для коротких кодов).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Навигационное обеспечение поисково-спасательных работ в местности со сложным рельефом на базе спутниковых и автономных средств навигации»

Настоящая работа посвящена исследованию методов повышения эффективности поисково-спасательных работ в гражданской авиации (ГА). В работе производится анализ работы специализированных радиотехнических систем поиска и спасения, используемых в ГА, в условиях местности со сложным рельефом. По результатам анализа предлагается дополнить существующие системы поиска и спасения локальной системой на основе средств спутниковой и автономной навигации, позволяющей повысить вероятность обнаружения терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом.

Радиотехнический поиск является основным видом поиска. В настоящее время во всех аварийных случаях, угрожающих безопасности полета, экипаж ВС может подать следующие сигналы бедствия:

• сообщить о бедствии открытым текстом по действующим каналам управления полетом, по которым к началу сложившейся на борту аварийной ситуации ВС имело связь, и продублировать по общим каналам связи и пеленгации на аварийных частотах 121,5 (406,025) МГц и 2182 кГц;

• включить аварийный радиомаяк «Коспас-Сарсат»;

• одновременно с передачей сигнала «SOS» или «Терплю бедствие» включить сигнал «Бедствие» на аппаратуре опознавания и сигнал «Авария» на ответчике УВД. При полетах вне границ Российской Федерации на ответчике УВД ИКАО устанавливается код 7700 «Бедствие».

Кроме того, операция по поиску и спасению согласно правилам ФПСУ начинается при получении информации об аварии следующим образом:

• при получении доклада от экипажа воздушного судна, наблюдавшего бедствие;

• при получении сообщения о бедствии от очевидцев;

• при получении сообщения о бедствии от правоохранительных органов или органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления;

• при неприбытии воздушного судна в пункт назначения в течение 10 мин после расчетного времени и отсутствия радиосвязи с ним в течение более 5 мин;

• если экипаж воздушного судна получил разрешение на посадку и не произвел ее в установленное время с потерей радиосвязи с ним;

• при потере радиосвязи с экипажем воздушного судна и одновременного пропадания отметки радиолокационной проводки или потере радиосвязи более чем на 5 минут, если радиолокационная проводка не велась;

• при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

АРМ 406 появился сравнительно недавно. Существующий парк ВС ГА нашей страны, имеющих на борту специализированные радиотехнические средства поиска и спасания, на 80 % оборудован АРМ, работающими на частоте 121,5 МГц (аварийно-спасательная радиостанция Р855 и её модификации). С учетом экономической конъюнктуры, для большинства авиаперевозчиков, работающих на местных авиалиниях, переоборудование ВС АРМ 406 является достаточно дорогостоящим. Один радиомаяк стоит около $4500, комплект — вдвое дороже. Стоимость установки оборудования на самолет зависит от стоимости разработки конструкторской документации. Необходимо отметить, что система имеет низкую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом, на которую приходится наибольшее число аварий малой авиации. Это обусловлено следующими причинами:

• в условиях многолучевого распространения сигнала становится актуальной проблема надежности связи;

• в условиях ограниченного времени нахождения в зоне видимости объекта, терпящего бедствие, спутников низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат и воздействия многолучевости уменьшается вероятность определения местоположения объекта доплеровским методом;

• возникает проблема затенения рельефом местности спутников геостационарного сегмента системы Коспас-Сарсат;

• модели маяков, использующие протокол с координатами, не всегда могут получить достоверный отсчет местоположения объекта с использованием средств на основе глобальной навигационной спутниковой системы (СРНС) GPS/TJIOHACC из-за плохого взаимного геометрического расположения навигационных космических аппаратов (НКА) и АРМ, а также из-за недостаточного уровня принимаемого сигнала.

Кроме того, для АРМ 406 уровень ложных срабатываний остается довольно высоким: лишь одно из примерно 17 аварийных сообщений является действительным. Это увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры.

Кроме системы Коспас-Сарсат для поиска и спасения объектов, терпящих бедствие, в ГА используется локальная система. Обнаружение объектов, терпящих бедствие, и привод поисково-спасательных ВС в район авиакатастрофы в данной системе осуществляется с помощью автоматического радиокомпаса (АРК) по сигналам АРМ, работающего на частоте 121,5 МГц. Данная система была разработана в середине прошлого века и морально и технически устарела.

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания локальной системы, позволяющей повысить эффективность поисково-спасательных работ в условиях местности со сложным рельефом.

Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследо- ‘ ваний по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по созданию локальной системы поиска и спасения с минимально необходимым количеством оборудования, обеспечивающей высокую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих основных задач:

• анализ работы существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• анализ возможности проведения навигационных определений с использованием приемоиндикатора (ПИ) GPS/TJIOHACC для решения задач поиска и спасения;

• выбор и обоснование структуры передаваемого сигнала, позволяющей повысить надежность канала связи в условиях многолучевого распространения сигнала и влияния других мешающих воздействий;

• анализ и обоснование состава средств навигации, позволяющего повысить вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятности и случайных процессов, аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые произведен системный анализ существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом и предложены пути повышения эффективности поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации.

В диссертации получены следующие основные результаты:

• произведен системный анализ функционирования радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• разработаны принципы построения локальной системы поиска и спасения с применением автономных и спутниковых средств навигации;

• разработаны рекомендации по способам повышения надежности передачи навигационной информации в предлагаемой системе в условиях различных возмущающих воздействий, включая переотражения от подстилающей поверхности;

• произведена оценка влияния эффекта многолучевости на точностные характеристики амплитудных и фазовых радиокомпасов;

• дана оценка влияния систематической ошибки определения курсового угла АРМ радиокомпасом на время привода поисково-спасательного ВС к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.

• результаты анализа влияния возмущающих факторов на вероятность решения задачи поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, в условиях интенсивных мешающих воздействий и местности со сложным рельефом с использованием существующих радиотехнических средств поиска и спасения;

• принципы построения локальной системы поиска и спасения с использованием спутниковых средств (GPS/TJIOHACC) и автономных средств навигации.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания локальной системы поиска и спасения, поскольку позволяют:

• повысить вероятность обнаружения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом за счет использования помехоустойчивого канала передачи данных и приемника, когерентно собирающего энергию компонент многолучевого сигнала;

• снизить стоимость системы и повысить надежность её работы за счет минимизации состава оборудования;

• повысить скрытность работы системы поиска и спасания за счет передачи сигнала с очень низким уровнем мощности;

• повысить вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, за счет использования автономных средств навигации.

Внедрение результатов. Основные результаты внедрены в Московском конструкторском бюро «КОМПАС» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими Актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона (2004 год, г. Красноярск), на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (май 2006 года, МГТУ ГА).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 3-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Диссертация содержит 115 страниц текста, 47 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 40 наименований.