Учебное пособие по дисциплине «Организация увд»




НазваниеУчебное пособие по дисциплине «Организация увд»
страница1/5
Дата09.01.2013
Размер0.64 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5


МИНЕСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГА




А.И. ЛОГВИН, О.Е. ОРЛОВ




СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ ДЛЯ УВД




МОСКВА


МИНЕСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ



Кафедра технической эксплуатации радиотехнического

оборудования и связи

А.И. Логвин, О.Е. Орлов


СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ ДЛЯ УВД




Москва – 2002

Данное учебное пособие по дисциплине «Организация УВД» издается в соответствии с учебным планом специальности 201300 для студентов 5го курса дневной и заочной форм обучения.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры 15 ноября 2001г. и методического совета специальности 201300 4 декабря 2001г.


Научный редактор, профессор, д.т.н. Э.А. Лутин.


ВВЕДЕНИЕ

Существующие и разрабатываемые средства навигации и управления воздушного движения (УВД), основанные на традиционных принципах, имеют ряд существенных ограничений. Средства наблюдения, представляющие собой первичные и вторичные радиолокационные станции (РЛС) наземного базирования, имеют дальность действия, ограниченную прямой видимостью, и как следствие, возникают трудности создания необходимого радиолокационного поля, особенно на малых высотах. Наращивание зоны обслуживания автоматизированных систем (АС) УВД сопровождается установкой дополнительных радиолокационных позиций (РЛП), что затруднительно в экономическом плане.

Средняя квадратическая погрешность измерения местоположения воздушного судна (ВС) на максимальной дальности составляет сотни метров, что не удовлетворяет современным потребностям УВД при введении новых норм эшелонирования. Помехоустойчивость РЛС к пассивным, индустриальным и взаимным помехам с ростом интенсивности воздушного движения (ИВД) и увеличением числа близкорасположенных РЛП падает.

Средства связи строятся с использованием радиостанций наземного базирования. Получение достаточно высоких характеристик каналов связи, таких, как дальность, пропускная способность, надежность встречает принципиальные трудности, обусловленные условиями распространения радиоволн, загруженностью диапазонов, наличием искусственных и естественных помех.

Применение спутниковых систем для создания полей наблюдения и связи в значительной степени избавляет от указанных трудностей и дает следующие преимущества:

  • возможность создания поля наблюдения и связи в заданном регионе путем соответствующего выбора конфигурации орбит и количества ИСЗ;

  • сведение к минимуму влияния условий распространения радиоволн на характеристики каналов наблюдения и связи за счет использования дециметровых и сантиметровых диапазонов волн;

  • возможность выбора организационной структуры УВД, оптимальной для выполнения целевых задач;

  • возможность повышения точности наблюдения практически на любых высотах полета ВС за счет использования дальномерного и разностно-дальномерного метода.

Учитывая сказанное, для решения задач гражданской авиации всего мира широко внедряются и используются спутниковые системы навигации и связи (ССНС). Особенности построения таких систем, их возможности и основные характеристики рассматриваются в данном учебном пособии, предназначенном для изучения дисциплины «Организация УВД» в рамках нового учебного плана по специальности 201300.



  1. ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ВС В СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Для того, чтобы определить координаты ВС с помощью ИСЗ, необходимо выполнить два условия: должны быть известны координаты и параметры движения ИСЗ относительно земли, необходимо измерить не менее трех параметров ВС относительно ИСЗ.

Точность определения местоположения ВС зависит от точности знания координат ИСЗ, от точности проведенных измерений, а также от расположения спутников в пространстве. При глобальной зоне действия навигационной системы необходимо иметь созвездие спутников, из которых в процессе навигационных измерений ВС можно было бы выбирать наиболее подходящие. Кроме того, сигналы, посылаемые спутниками должны содержать эфемериды, которыми называют предварительно вычисленные значения координат и скорости ИСЗ. С помощью наземных станций слежения их необходимо измерять, вычислять и прогнозировать, а затем передавать на ИСЗ и регулярно обновлять. Таким образом, спутниковая система навигации состоит из средств развертывания и восполнения системы, созвездия навигационных спутников, сети наземных станций контроля и слежения, центра управления и потребителей, имеющих соответствующую навигационную аппаратуру (рис.1).


Рис.1. Состав спутниковой навигационной системы.

На рисунке приняты обозначения: 1- орбитальная группировка ИСЗ, 2 – навигационная аппаратура потребителей, 3 – наземные средства, 4 – средства развертывания и восполнения системы, И1 – навигационные радиосигналы, И2 – управление ИСЗ, контроль состояния ИСЗ, эфемеридное, частотное и временное обеспечение.

Наиболее точными методами определения координат являются методы, основанные на измерениях дальностей: дальномерный, псевдодальномерный, разностно-дальномерный. В спутниковых системах также применяют доплеровский метод измерения скорости с последующим вычислением угловых координат. Опишем дальномерный метод.

Для реализации дальномерного метода необходимо знать начало отсчета. В большинстве радиотехнических систем измерительная аппаратура посылает сигнал запроса и получает ответ, по времени задержки которого определяется дальность. В спутниковых системах навигации более широкое распространение получил беззапросный метод измерения дальности. Для его реализации на земле, на борту ИСЗ и ВС устанавливают высокостабильные генераторы эталонной частоты, по которым формируют согласованные между собой шкалы времени, привязанные к системе единого времени.

Положение ВС определяют по результатам дальномерных измерений. Измеряют дальности до трех ИСЗ и составляют три уравнения в прямоугольных координатах:

, (1)

где XВС, YВС, ZВС – координаты ВС; Xi, Yi, Zi – коодинаты i – го ИСЗ, i= 1,2,3; ri – расстояние между ВС и i-м ИСЗ, измеренное радионавигационными системами.

Решив систему уравнений (1) (три уравнения с тремя неизвестными), находим координаты ВС. При этом никаких дополнительных данных о местоположении знать не надо.


  1. ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА

2.1. Глобальная навигационная система GPS

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) предназначена для определения координат и скорости движения объектов. В системе используется псевдодальномерный метод измерения, для которого справедливы уравнения (1). При псевдодальномерном методе имеются расхождения шкал часов на ВС и ИСЗ, в результате чего при определении временных интервалов между моментами излучения сигналов с борта ИСЗ и моментом их приема на ВС возникают систематические ошибки. Поэтому измеряемые дальности (псевдодальности) будут отличаться от истинных на величину, пропорциональную t, где t – расхождение шкал времени на борту ВС и ИСЗ. При реализации псевдодальномерного метода на борту ВС необходимо иметь информацию о поправке к бортовой шкале времени.

Спутниковая система навигации GPS состоит из космической части и аппаратуры потребителей. В космическую часть входит сеть ИСЗ и командно-измерительный комплекс (КИК). После полного развертывания система имеет 24 космических аппарата (КА), равномерно расположенных на трех круговых орбитах с углом наклона 630. Период обращения КА составляет 12 часов, высота полета над поверхностью Земли - 20183 км. При такой конфигурации орбит в каждой точке Земного шара будут в среднем видны 9 КА, как минимум 6 КА. КИК имеет в своем составе 4 контрольные станции (КС), корректирующую и главную станцию управления. КС следят за КА, определяют их координаты, регистрируют условия прохождения радиоволн. Эти данные передаются на главную станцию управления, где производится статистическая обработка данных, вычисляются и прогнозируются эфемериды КА с учетом влияния Солнца, Луны и аномалий гравитационного поля Земли. Далее вся эта информация через корректирующую станцию передается на КА и вводится в его бортовую ЭВМ для формирования навигационных данных, предназначенных потребителям.

Связь между навигационным спутником и ВС осуществляется по двум радиолиниям на частотах f1=1575.42 МГц и f2=1227.6 МГц.

Несущие частоты модулируются двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путем суммирования по модулю 2 псевдослучайного дальномерного кода и передаваемых системных данных, называемых навигационной информацией. При передаче дальномерных кодов используют кодовое разделение радиосигналов.

Навигационные данные включают в себя: эфемериды КА, системное время, характеристики шкалы времени КА, сообщение о состоянии КА. Навигационный спутник излучает сигнал такой мощности, что при наихудших для потребителя условиях уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 100-166 дБВт в зависимости от передаваемых кодов.

Бортовое оборудование ВС принимает сигналы от КА, демодулирует их, декодирует, а затем определяет координаты и скорость ВС.

Средняя квадратическая погрешность измерения координат ВС, обусловленная всей совокупностью причин , для 90% времени измерений приблизительно равна 10 м, а для 50% времени – менее 5 м.

Важнейшее свойство навигационной системы (как и любой другой системы измерений и/или передачи информации) – целостность, определяемая как способность системы обнаруживать и указывать неисправности в процессе своей работы с целью извещения пользователя о том, что система не работает в пределах установленных ограничений. Целостность системы GPS обеспечивается передачей с КА в составе навигационного обеспечения группы признаков, характеризующих качество работы аппаратуры КА и достоверность передаваемых сообщений.


2.2. Глобальная навигационная система ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система) предназначена для определения местоположения и скорости ВС.

Приемоиндикаторной аппаратурой потребителей ГЛОНАСС производится измерение радионавигационных параметров псевдодальностей до четырех (трех) спутников системы одновременно или последовательно и измерение радиальной псевдоскорости. Спутники системы ГЛОНАСС расположены на орбитах, близких к круговым, период обращения спутников составляет 11 часов 15 минут, высота 19100 км, наклонение 64.80. В полностью развернутой системе 24 спутника располагаются в трех плоскостях, по 7-8 спутников в орбитальной плоскости.

Спутники излучают фазоманипулированный сигнал на разных частотах. Номинальное значение несущей частоты радиосигнала i-го спутника составляет: Fi=F1+F(i-1), i=1,2,…,24; F1=1602.5625 МГц, F=0.5625 МГц. Фазовая манипуляция сигнала на 1800 осуществляется сигналом, получающегося сложением по модулю 2 псевдослучайной последовательности и последовательности непрерывно поступающих строк длительностью 2 секунды, содержащей двоичную последовательность цифровой информации в относительном коде и двоичный код метки времени.

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации, закодированной кодом Хемминга и преобразованной в относительный код. Скорость передачи цифровой информации составляет 50 бит/с.

Структурно цифровая информация сформирована в виде навигационных суперкадров длительностью 2.5 мин.. Суперкадр состоит из пяти кадров по 30 с. и каждый кадр содержит 15 строк. Каждая строка содержит символы информации и метку времени. Информационная часть строки длительностью 1.7 с. содержит 85 символов, а метка времени занимает время 0.3 с. и передается псевдослучайной последовательностью из 30 символов (усеченная последовательность). По содержанию навигационное сообщение, передаваемое каждым спутником, включает оперативную и неоперативную информацию. Оперативная информация относится к спутнику, с которого она передается и содержит метки времени спутника, сдвиги шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы, относительное отличие несущей частоты излучаемого сигнала от опорной частоты центрального хранителя времени, а также эфемериды ИСЗ: три координаты, три составляющих скорости и три составляющих ускорения, обусловленные притяжением Луны и Солнца на определенный момент времени. Сообщения о неисправности данного спутника попадают в состав оперативной информации сразу же после ее обнаружения.

Погрешность определения координат с вероятностью 0.95 составляет: по каждой координате (в плане) 100 м, по высоте 150 м, по составляющим вектора скорости 0.15 м/с. При этом точностные характеристики системы могут быть значительно улучшены при организации работы пользователя в дифференциальном режиме. Суть дифференциального режима состоит в устранении систематической составляющей погрешности местоопределения ВС путем измерения этой составляющей с помощью опорной станции, расположенной в точке с известными координатами, и сообщения результатов измерения потребителю. Полученная информация используется на борту ВС для коррекции вычисленного местоположения.

Для реализации дифференциального режима ССНС дополняется рядом технических средств, совокупность которых можно рассматривать как подсистему. К этим средствам относятся: опорная наземная станция и линия передачи данных, включающая в себя передатчик и приемник корректирующей информации. Сама по себе эта система не мешает использованию ССНС в стандартном режиме, но предоставляет пользователю возможность перейти при необходимости на работу в дифференциальном режиме.

Ключевой проблемой при использовании дифференциального режима является выбор канала передачи корректирующей информации. Для этих целей могут быть выделены следующие радиоканалы:

  • ультракоротковолновые с дальностью в пределах прямой видимости;

  • сантиметровые и дециметровые с ретрансляцией через связные спутники.

Канал первого типа может удовлетворить гражданскую авиацию, которая широко использует его для связи ВС с землей и наоборот.

Связь с ретрансляцией через спутник может обеспечить корректирующей информацией любого потребителя на обширных территориях. Точность местоопределения в дифференциальном режиме зависит от многих факторов: удаления ВС от опорной станции, скорости передачи корректирующей информации по каналу связи, помехоустойчивости линии передачи данных и т.д.. Расчеты и результаты испытаний показывают [6], что точность определения местоположения ВС в дифференциальном режиме в рабочей зоне составляет 5..10 м при заданной вероятности P0.95.


2.3. Совместное использование систем ГЛОНАСС и GPS

На данный момент со стороны ИКАО поставлен вопрос о необходимости совместного использования спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, поскольку в этом случае удовлетворяются все существующие на данный момент эксплуатационные требования ГА к спутниковой навигации, в том числе и по максимально допустимому времени предупреждения об отказах навигационного ИСЗ.

Суть вопроса заключается в том, что в течение периода развертывания каждая из систем может использоваться лишь ограниченное время суток в отдельных районах Земли. В то же время совместное использование обеих систем позволит уже на этапе развертывания проводить круглосуточные навигационные определения во всех районах Земли.

Совместное использование сигналов навигационных ИСЗ эффективно и на этапе полного развертывания системы. Как известно, принцип навигационных определений состоит в измерениях псевдодальностей до трех (четырех) ИСЗ и решении навигационной задачи. При этом точность местоопределения связана с точностью измерений, которая определяется оптимальностью расположения ИСЗ с точки зрения проведения измерений. Наиболее близким к оптимальному является такое расположение ИСЗ, когда один из них находится в зените пользователя, а другие имеют минимально допустимый угол места и равномерно распределены по азимуту (через 1200 при трех ИСЗ). Очевидно, что чем больше спутников находится в зоне радиовидимости пользователя, тем легче ему выбирать созвездие ИСЗ, близкое к оптимальному. Кроме того, точность определений может быть повышена за счет обработки избыточной информации при использовании для измерений большего числа ИСЗ, чем минимально необходимое. Отказы отдельных ИСЗ, частей системы и даже полный отказ одной из систем не будут угрожать безопасности полетов ВС ГА всего мира. Особое значение для ГА имеет повышение целостности совмещенной системы и достоверности навигационных определений, которое будет достигнуто не только за счет улучшения контроля сигналов навигационных ИСЗ при использовании КС обеих систем, но и , главным образом, за счет избыточности навигационных ИСЗ в зоне видимости пользователя.

Таким образом, характеристики совмещенной системы по точности, надежности и целостности будут полностью отвечать требованиям четырехмерной зональной навигации.

Использование совмещенной системы и спутниковой системы связи позволяет создать высокоэффективную систему автоматического зависимого наблюдения (АЗН), которая обеспечит во всех регионах возможность выполнения полетов по оптимальным пространственно-временным траекториям, что существенно поднимет экономическую эффективность воздушных перевозок при гарантированной высокой надежности.

Концепция АЗН состоит в том , что информация о местоположении ВС вырабатывается бортовыми системами и по линии передачи данных направляется в центры УВД. По этому же каналу обеспечивается прямая связь диспетчера УВД с экипажем ВС. Главными проблемами при реализации режима АЗН являются: привязка данных к одной и той же системе координат; обозначение точного момента измерения координат бортовыми системами; знание характеристик погрешностей измерений; своевременная автоматическая обработка данных и представление их на АРМ диспетчера. При этом все перечисленные процессы должны быть увязаны по времени, форматам сообщения и соответствующая аппаратура должна быть состыкована. Другими словами, реализация режима АЗН требует оснащения всех ВС, находящихся в зоне ответственности диспетчера, специальной аппаратурой АЗН. Поэтому концепция АЗН может быть реализована только для спутниковых технологий.

Из сказанного вытекает, что для построения эффективных спутниковых систем навигации и связи необходимо задачи навигации и передачи данных решать совместно, т.е. комплексно для каждого ВС. Наиболее перспективным путем решения этой задачи является создание оборудования спутниковой навигации и связи сразу как единого комплекса, обеспечивающего в том числе режим АЗН без каких-либо блоков сопряжения. Такой подход позволяет максимально сократить избыточность аппаратуры по сравнению с объединением автономных станций спутниковой связи и спутниковой навигации через блоки сопряжения.

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННО-СВЯЗНОЙ АПППАРАТУРЫ

    1. Общая структурная схема интегрированной станции

Рассматривается станция спутниковой связи и передачи данных, интегрированная с приемной аппаратурой навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС для ВС ГА. Структурная схема такой станции представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: ПРД – передатчик; УМ – усилитель мощности; ПРМ – приемник; МШУ – малошумящий усилитель; ОГ – опорный генератор.




Рис.2. Укрупненная структурная схема интегрированной аппаратуры спутниковой связи и навигации.

Антенный модуль (рис.2), в состав которого входят приемная и передающая антенны спутниковой связи, приемная антенна сигналов навигационных спутников, а также входные и выходные СВЧ-устройства приемных и передающих трактов, как правило, представляет единую конструкцию, размещаемую на верхней части фюзеляжа самолета.

Обмен электрическими сигналами между антенным модулем и абонентским модулем, расположенным внутри объекта, часто рядом с оператором связи, осуществляется посредством радиочастотных и низкочастотных кабелей, для сокращения числа которых используются методы частотного объединения (уплотнения) высокочастотных сигналов непосредственно на частотах приема и передачи или промежуточных частотах, и методы временного объединения (уплотнения) для низкочастотных сигналов управления и передачи информации.

Конкретные технические решения по построению антенн, СВЧ-узлов, усилителей мощности (УМ) и малошумящих усилителей антенного модуля существенным образом зависят от диапазона частот и требуемых энергетических характеристик для спутникового связного канала.

В отличии от антенного модуля, конструкция и технические решения отдельных устройств абонентского модуля мало зависят от используемой системы связи. Практически единственное устройство, которое связано с особенностями системы связи, - это приемо-передающий конвертор.

Приемо-передающий конвертор обеспечивает, в общем случае, перенос частоты модулированного сигнала, сформированного в модеме, на выходную частоту тракта передачи, а также осуществляет перенос частоты сигналов, поступающих с приемных антенн трактов навигации и связи, на «нулевую» частоту с разделением на квадратурные (I; Q) составляющие.

Важнейшей частью как абонентского модуля, так и всей станции является универсальный модем, обеспечивающий раздельные во времени прием и обработку сигналов от двух навигационных КА систем GPS/ГЛОНАСС или прием 2-х модулированных сигналов на различных частотах и формирование модулированного сигнала на передачу в режиме "связь".

Синхронизация работы модемов между собой при многоканальной работе навигационного приемника и решение навигационной задачи для этого случая осуществляется посредством контроллера управления станции, который реализует также протоколы обмена с различными устройствами, входящими в состав объекта, и абонентским устройством (пультом), являющимся неотъемлемой частью станции.

Абонентское устройство (АУ) представляет собой телефонную трубку с клавиатурой, небольшим индикаторным экраном и процессором.

В составе АУ имеется речепреобразующее устройство для преобразования речевых сигналов в цифровую форму для передачи по каналам связи. Индикаторный экран используется как для отображения передаваемой цифробуквенной информации, так и для отображения географических координат и скорости перемещения объекта во время приема станцией навигационных сигналов.

    1. Антенный модуль

В антенном модуле интегрированной бортовой аппаратуры навигации и связи размещаются: приемная и передающая антенны спутниковой связи; антенна приема навигационного сигнала; МШУ и фильтр навигационного приемника; разделительный фильтр передачи, выполненный для уменьшения потерь на объемных резонаторах; малошумящее входное устройство (МВУ); усилитель мощности (УМ) с выходной мощностью до 30 Вт с встроенной системой автоматической установки мощности; устройство электропитания.

Существенное влияние на характеристики работы антенного модуля имеет МВУ, функциональная схема которого показана на рис.3.


Связь

  1   2   3   4   5

Похожие:

Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие «Организация и методика оказания первой доврачебной помощи и ухода за больным»
Уч пособие по дисциплине «первая доврачебная помощь» для студентов 3-го курса дневного и вечернего отделений
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие Москва 2008 удк машкин М. Н. Информационные технологии: Учебное пособие. М.: Вгна, 2008. 200 с
Учебное пособие по курсу Информационные технологии содержит учебный материал для подготовки к зачету по указанной дисциплине
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие по дисциплине «Правовая подготовка»
Учебное пособие по дисциплине «Правовая подготовка» / Отв. Ред. А. А. Ступак. Омск: чоу «Учебный центр «Блокпост», 2009. 227 с
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология»
Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности...
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический
Боровцов Е. Г. Организация эвм: Учебное пособие/ Алт госуд технич ун-т им. И. И. Ползунова. Барнаул: 1998. 161 с
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие подготовлено в соответствии с программой курса по дисциплине «Антикризисное управление»
Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие по дисциплине «Гидрогеомеханика»
Учебное пособие предназначено для студентов и специалистов, занимающихся вопросами гидрогеологии, инженерной геологии, геоэкологии...
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие по дисциплине «Налоги и налогообложение»
Налоги и налогообложение. Теория налогообложения и характеристика налоговой системы России. Учебное пособие по дисциплине «Налоги...
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconУчебное пособие к лабораторным работам по дисциплине «Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов»
Егоров А. А., Осипов В. Г., Соловьёв С. Ю. Программирование микроконтроллеров семейства avr: Учебное пособие. – М.: Изд-во маи, 2005....
Учебное пособие по дисциплине «Организация увд» iconАдаптационный курс учебное пособие Допущено умо по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия по дисциплине вузовского компонента Математика
Учебное пособие предназначено для проведения занятий по элементарной
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница