Повышение контроля целостности навигационного обеспечения в алгоритмах обработки информации навигационных систем летательных аппаратов при использование BOC-радиосигналов

В работе рассмотрены алгоритмы обработки информации в навигационных системах, включающих в свой состав спутниковые радионавигационные системы, с контролем целостности навигационного обеспечения. Повышение контроля целостности навигационного обеспечения при использование BOC-радиосигналов.

Ключевые слова: ГЛОНАСС, RAIM (англ. Receiver Autonomous Integrity Monitoring- автономный контроль целостности приемника (АКЦП), контроль целостности, навигационное поле, BPSK- и BOC-радиосигналы.

Для решения задач навигации и посадки летательных аппаратов (ЛА) используются бортовые навигационно-посадочные комплексы (НПК), включающие в свой состав аппаратуру приема сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), инерциальную навигационную систему (ИНС), радиовысотомер (РВ) малых высот и барометрический высотомер (БВ). Разработаны комплексные алгоритмы которые позволяют: во-первых, обеспечить требуемую точность при решении задач захода на посадку и посадки за счет совместной обработки информации; во-вторых, обеспечить целостность навигационного обеспечения.

Для обеспечения должной точности и надежности используют системы обеспечения целостности, которые делят на две группы:

-          системы с использованием информации внешних по отношению к потребителю средств контроля целостности;

-          автономные системы мониторинга целостности на борту ЛА либо с привлечением дополнительной информации других автономных бортовых навигационных датчиков, либо только за счет избыточности информации в приемнике — избыточного количества каналов параллельного приема радиосигналов.

Применительно ко второй группе систем обеспечения целостности для НПК синтезированы алгоритмы совместного многоальтернативного обнаружения и оценивания радиосигналов. Алгоритмы позволяют успешно работать в аномальных режимах, выявляя факт пропадания радиосигнала навигационного космического аппарата (НКА) на входе аппаратуры приема с целью изолирования отказавшего НКА, путем реконфигурации структуры аппаратуры потребителей. Однако в нормальном режиме функционирования в случае неточных данных об орбитах космических аппаратов (сбой или искусственный ввод неточных данных о координатах НКА) данные алгоритмы не обеспечивают целостность навигационного обеспечения, для устранения этого в работе [1] был предложен алгоритм автономного контроля который использует оперативную и не оперативную (альманах) информацию и осуществляет прогнозирование координат НКА.

В настоящее время большое распространение нашли меандровые псевдошумовые сигналы (Binary offset carrier — BOC), в которых используют дополнительную модуляцию меандровой последовательностью разной частоты

Цель работы — рассмотреть существующие алгоритмы обработки с контролем целостности радионавигационного поля ГЛОНАСС при использование BOC радиосигналов.

Эвристический подход

Применение эвристического метода рассмотрим на примере интегрированного навигационно-посадочного комплекса (НПК), обеспечивающего решение задач захода на посадку и посадки. В его состав входят: аппаратура приема сигналов СРНС, инерциальная навигационная система (ИНС), радиовысотомер (РВ), барометрический высотомер (БВ), бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ).

Для осуществления контроля целостности навигационных данных СРНС на вход схемы разрешения поступают:

-          сигнал относительной высоты  с выхода БЦВМ, который получается в результате совместной обработки информации, поступающей с датчиков и систем на ее вход;

-          выходной сигнал барометрического высотомера , который можно представить в виде

,

где  истинное значение относительной высоты,  случайная ошибка измерения, включающая постоянную ошибку и флуктуационную погрешность.

Случайная ошибка измерения  барометрического высотомера обычно не превышает некоторого максимально допустимого значения , определяемого типом используемого барометрического высотомера. Схема разрешения включает в свой состав ключевое устройство, пороговое устройство и вычитающее устройство. В вычитающем устройстве из сигнала барометрического высотомера  вычитается сигнал относительной высоты  с выхода БЦВМ

,

где введено обозначение .

При совместной обработке информации нескольких измерителей, определяющих один и тот же или функционально связанные параметры, ошибка определения этого параметра всегда меньше максимальной ошибки наименее точного измерителя. Так как точность определения высоты СРНС в нормальном режиме работы (без отказов, сбоев или искусственного ввода неточных данных о координатах навигационных космических аппаратов) значительно выше точности барометрического высотомера, то величина сигнала на выходе вычитающего устройства не должна превышать величины

.

В случаях отказов, сбоев или искусственном вводе неточных данных о координатах НКА приемная аппаратура СРНС будет выдавать информацию о высоте с ошибкой равной или большей, чем ошибка барометрического высотомера. В этом случае

.

Полученный на выходе вычитающего устройства сигнал поступает на пороговое устройство, имеющее порог . Данное устройство управляет работой ключевого устройства. Если , то сигналы, поступающие с выхода приемной аппаратуры СРНС, проходят через ключевое устройство на вход БЦВМ. Если , то сигналы с выхода приемной аппаратуры СРНС не проходят через ключевое устройство на вход БЦВМ и необходимо менять рабочее созвездие.

Предложенный подход позволяет осуществить автономный контроль целостности навигационных данных. При этом величина  должна определяться экспериментальным путем.

Методы оптимальной линейной фильтрации

Для создания автономной системы контроля целостности используем датчики и устройства, обеспечивающие определение высоты объекта. Обычно в состав навигационных комплексов, как воздушных, так и наземных объектов, входят барометрический высотомер (БВ) и аппаратура приема сигналов спутниковых радионавигационных систем.

Полагаем, что измерение высоты при помощи БВ осуществляется относительно уровня, соответствующего известному  радиус-вектору геоцентрической системы координат, систематическая ошибка учитывается при его выставке, сигнал на выходе дискретизирован по времени и имеет вид [2]:

,    (1)

где  и  соответственно постоянная ошибка и флуктуационная погрешность, описываемые выражениями:

;

, , (2)

в которых ; ;  и  — коэффициент, характеризующий ширину спектра погрешности, и дисперсия флуктуационной погрешности, соответственно;  — независимые выборки гауссовского процесса с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией.

Аппаратура приема сигналов СРНС обеспечивает прием радиосигналов НКА. Сигнал о высоте объекта относительно центра Земли на выходе аппаратуры приема в дискретные моменты времени представим в виде [3]:

 (3)

где  — измеренное значение высоты объекта;  радиус-вектор геоцентрической (сферической) системы координат;  — независимые выборки гауссовского процесса с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией;  — среднеквадратическая ошибка флуктуационной погрешности измерения высоты объекта.

Представление «полезного» сигнала на выходе вертикального канала в аппаратуре приема сигналов СРНС (3) через радиус-вектор  позволяет определить относительную высоту  по выходным данным СРНС.

Найдем относительную высоту  из выражения (1) и подставим в (3), в результате получим

 (4)

Представим выражение (4) в виде

 (5)

где  — вектор состояния;  — вектор наблюдения размером (1´2) с элементами ;  — известная величина; ;  — шум наблюдения.

Вектор состояния  в соответствии с (2) описывается разностным векторно-матричным стохастическим уравнением

,    (6)

где  — фундаментальная матрица размером (2´2) с ненулевыми элементами , ;  — переходной вектор возмущения размером (2´1) с элементами , ;  — независимые формирующие стандартные гауссовские случайные величины.

Уравнение наблюдения (5) и модель изменения вектора состояния (6) являются линейными. Оценка вектора состояния  в соответствии с методами оптимальной линейной фильтрации определяется выражением [4]

, (7)

где  — вектор оптимальных коэффициентов передачи размером (2´1), который определяется соотношениями:

;

; (8)

,

в которых  — матрица вторых центральных моментов (ковариаций) ошибок прогнозирования размером (2´2);  — матрица вторых центральных моментов (ковариаций) ошибок оценивания размером (2´2);  — единичная матрица размером (2×2).

Для контроля целостности используем оценку постоянной ошибки  барометрического высотомера, которая в соответствии с (7) определяется выражением

, (9)

где входящая в (9) оценка , согласно (7), имеет вид

. (10)

Следует отметить, что в нормальном режиме функционирования СРНС оценка постоянной ошибки  барометрического высотомера будет стремиться к некоторому постоянному значению, определяемому типом барометрического высотомера. Кроме того величина невязки — величины стоящей в квадратных скобках выражения (9) будет малой величиной. При сбоях в работе НКА или при искусственной передаче ошибочной информации с НКА произойдет резкий скачок невязки измерений, а значение оценки постоянной ошибки  начнет возрастать. Данные свойства можно использовать для контроля целостности путем:

-          обнаружения резкого скачка невязки измерений;

-          задания некоторого порога  величины оценки постоянной ошибки  барометрического высотомера. Если , то использовать данные полученные от НКА нельзя.

В состав схемы входят сумматоры, линии задержки, усилители с переменными коэффициентами усиления , , усилитель с коэффициентом усиления , ключевое устройство (КУ). Схема принятия решения на использование сигналов СРНС анализирует значение оценки ошибки  и поведение невязки измерений. По результатам анализа принимается решение на использование информации о координатах ЛА (широта, долгота, высота) с выхода приемной аппаратуры СРНС для решения задач навигации. Если использовать данные СРНС нельзя, то сигнал, поступающий на КУ от схемы принятия решения на использование СРНС, запрещает прохождение данных СРНС для их дальнейшей обработки.

Разработанные алгоритмы представляют собой алгоритмы автономного контроля целостности навигационных данных на основе использования информации датчиков и систем, применяемых для определения высоты полета ЛА (вертикальный канал). В отличие от эвристического метода алгоритмы, разработанные методами оптимальной линейной фильтрации для контроля целостности навигационных данных СРНС, позволяют непосредственно оценить значение ошибки барометрического высотомера, а также дополнительно использовать информацию о невязке измерений.

Существенным недостатком разработанных алгоритмов является невозможность однозначного определения причин превышения оценки постоянной составляющей погрешности барометрического высотомера  величины порогового уровня. То ли это произошло из-за изменения (отсутствия) радиосигнала НКА на входе аппаратуры приема в результате сбоя в работе НКА или в результате прохождения радиосигнала через ионосферу. То ли это произошло в результате отказа самого канала аппаратуры приема и обработки радиосигналов СРНС. В последнем случае схема выдаст сигнал на запрет использования данных с выхода аппаратуры приема сигналов СРНС. Однако при этом радиосигналы НКА могут присутствовать на входе приемной аппаратуры СРНС.

Оценка применение сигналов с BPSK и BOC модуляцией в алгоритмах

Отличие меандровых шумоподобных сигналов (ВОС-сигналов) от традиционных шумоподобных сигналов заключается в использование при формировании сигнала поднесущей частоты. При этом сигнал гармонического несущего колебания манипулируется по фазе результатом перемножения псевдослучайной последовательности и поднесущего колебания.

При распространении сигнала от НС до потребителя возникает t и фазовая   задержка сигнала.

Для определения в первом и во втором алгоритме нам необходима оценка задержки радиосигнала и его амплитуды.

Проведем анализ потенциальной точности оценки этих параметров. Рассмотрим связь параметров сигнала и точности оценки сигналов с BPSK и BOC модуляцией. Сравним точности оценки параметров этих видов сигналов.

В работе [5] показано, что использование сигналов с модуляцией BOC(1,1) уменьшает дисперсию ошибки задержки в 1,5 раза по сравнению с использованием модуляции BPSK(4), соответственно, по среднеквадратическому отклонению (СКО) оценки задержки составляет значение, равное 1,225.

При использовании сигналов с модуляцией BOC(3,1) преимущество по дисперсии ошибки оценки задержки по сравнению с модуляцией BPSK(4) (занимающей ту же полосу частот) составляет значение, равное 4,05, соответственно, по СКО оценки задержки составляет значение, равное 2. Аналогичное преимущество при использовании модуляции BOC(3,1) в сравнении с модуляцией BOC(1,1) составило значение, равное 2,7 и по СКО значение, равное 1,64.

Таким образом, из сигналов с модуляцией BPSK(4), BOC(1,1) и BOC(3,1), занимающих одинаковую полосу частот, наибольшую точность оценки задержки обеспечивает использование сигнала с модуляцией BOC(3,1)

Мощность навигационного сигнала  у поверхности Земли гарантируется на уровнеминус161 дБВт (ГЛОНАСС) или минус 158 дБВТ (GPS, Galileo), и она может меняться в незначительных приделах в зависимости от условий распространения сигнала. Поэтому в большинстве приложений СРНС амплитуда сигнала A полагается известной величиной

Если в тех или иных приложениях амплитуду сигнала в точке приема нельзя считать известной, то ее следует полагать величиной с плотностью вероятности, описываемой рэлеевским законом [6]

Можно сделать вывод, что при применении меандровых шумоподобных сигналов (ВОС-сигналов), по сравнению с сигналами BPSK модуляцией, параметры, полученные по сигналам СНС и используемые в алгоритмах можно определить с большей точностью. Следовательно, это повысится контроль целостности навигационного обеспечения в целом.

Заключение

В работе рассмотрены алгоритмы обработки информации в навигационных системах летательных аппаратов с контролем целостности навигационного обеспечения.

Показано, что использование меандровых шумоподобных сигналов (ВОС-сигналов) в алгоритмах обработки информации с контролем целостности навигационного обеспечения, повышает контроль целостности навигационного обеспечения.

Литература:

1.         Бойков Д. В.// Технические науки в России и за рубежом: материалы III межденар. науч. конф. (г. Москва, июлб 2014 г.). — М.: Буки-Веди,2014.- с. 27–32.

2.         Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации / М. С. Ярлыков. — М.: Радио и связь, 1985. — 344 с.

3.         Иванов А. В. Оптимизация и комплексирование обработки информации в навигационно-посадочном комплексе с контролем целостности навигационного обеспечения по информации барометрического высотомера / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2009.– № 7. — С. 72–82.

4.         Браммер, К. Фильтр Калмана-Бьюси / К. Браммер, Г. Зиффлинг. — М.: Наука, 1982.

5.         Перов А. И. Методы и алгоритмы оптимального приема сигналов в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем // Москва Радиотехника, 2012 г.

6.         Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем // Москва Радиотехника, 2003 г., 400 с.