Динамо-машины  Радионавигационные системы, спутниковая радионавигация 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

где а, ~ среднеквадратическое значение погрешности нахождения составляющих вектора Ri, i=\; 2 - номер пункта, I - единичная матрица, то из (21.2) получим

Kg = (С сГ\а1 + о1). (21.4)

Выражение (21.4) показывает, что точность относительного метода в рассматриваемом случае характеризуется матрицей (СС) , связь которой с ГФ уже устанавливалась в гл. 18.

Рассмотрим, в каком соотношении находятся в этом случае полный баланс ошибок (см. гл. 16) и баланс независимых ошибок o, фигурирующих при анализе точностных свойств относительного метода. Погрешности измерений, возникающие вследствие неточностей синхронизации излучений, одинаковы на обоих пунктах и жестко коррелированы. При относительном методе эти ошибки могут быть компенсированы. Погрешности распространения радиоволн при совпадении пунктов 1 и 2 также компенсируются, если на обоих пунктах используются одинаковые модели ввода поправок на распространение радиоволн. Здесь уместно отметить, что исследованный в гл. 5 (см. также [138]) 2-частотный алгоритм коррекции ионосферных поправок превращает соответствующую коррелированную составляющую погрешности в случайную с некоторой эквивалентной дисперсией, которая может и превышать саму исходную погрешность. При относительном режиме это приводит к ухудшению точности, поэтому 2-частотную компенсацию погрешностей вследствие распространения радиоволн в этих случаях использовать нецелесообразно. Будем считать далее, что погрешности обработки на приемном конце в пунктах 1 и 2 не коррелированы. При этом предположении допускаемая неточность приводит к пессимистической оценке точностных свойств относительного метода. В соответствии с данными табл. 16.1 некомпенсируемая погрешность о, в 2...10 раз меньше, чем в обычном режиме навигационных определений. На самом деле выигрыш будет больше, так как в проведенном анализе не учитывались погрешности эфемерид, которые также компенсируются при принятых условиях.

Уравнение(21.4) показывает, что относительный метод эффективен, если a + a2 lt;ao, где ао - дисперсия коррелированной части ошибок нахождения вектора НП в пунктах 1 и 2.

Случай 2. Пусть теперь пункты 1 и 2 находятся на некотором удалении один от другого. Если при этом справедливо условие (21.3), то равенство (21.1) принимает вид

К, =( CI С) +( CJ С2) al + (ЛС АС) al (21.5)

Выражение (21.5) показывает, что в рассматриваемом случае первое и второе слагаемые практически аналогичны правой части

равенства (21.4). Отличие от случая 1 состоит в том. что разложение общей ошибки AR, на составляющие ARci и ARo само зависит от удаления пунктов 1 и 2 один от другого.

Можно показать, что в ССРНС независимые погрешности oi и 02, фигурирующие в (21.5), практически не меняются при различных взаимных расположениях НИСЗ и определяющихся в относительном режиме пунктов 1 и 2.

Установим теперь, как определить значение АС в формуле (21.5), определяющее вклад коррелированных погрешностей ARo в погрешность навигационных определений в относительном режиме.

Учитывая, что пункты 1 и 2 находятся близко один к другому, нетрудно показать, что

(21.6)

АС laquo;-Ах + Ау + Аг,

где Дх, Ау и Az - расстояния между пунктами 1 и 2 по соответствующим осям координат. Поскольку элементы матрицы С- первые производные от навигационной функции по определяемым элементам матрицы q, элементы матрицы ДС - вторые производные от упомянутой функции.

Выражение (21.6) показывает, что вклад коррелированных ошибок обусловлен изменением ГФ. Это изменение, как видно из предыдущих глав, невелико, особенно при большом числе видимых НИСЗ. Поэтому влияние 3-го слагаемого выражения (21.5) малосущественно, если наблюдения в пунктах 1 и 2 проводятся по одному и тому же созвездию НИСЗ.

ГЛАВА 22

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ И ШТУРМАНСКИХ РАСЧЕТОВ

Требования точности и оперативности обсерваций, предъявляемые к СРНС, могут удовлетворяться только путем автоматизации процесса навигационных определений. Автоматизации подлежат все основные операции: поиск и обнаружение сигналов выбранного созвездия НИСЗ, слежение за сигналами и измерение РНП, прием и декодирование служебной информации, решение навигационных и дополнительных (сервисных) задач, контроль работоспособности аппаратуры, индикация и регистрация результатов решений.

Наметились два направления автоматизации бортовой аппаратуры потребителей (БАП). Первое из них связано с использованием в комплекте БАП специализированной, но единой ЭВМ. Второе - с применением рассредоточенных вычислителей.

Применение ЭВМ в БАП значительно расширяет возможности навигационного комплекса и позволяет решать ряд дополнительных штурманских (сервисных) задач, состав которых зависит от назначения аппаратуры. Так, для самолетной аппаратуры к числу таких задач в первую очередь относятся: хранение координат поворотных пунктов маршрута и промежуточных аэродромов, расчет и хранение параметров линии заданного пути, расчет главно- и частно-ортодромических координат, расчет времени полета до очередного поворотного пункта маршрута, расчет высоты полета и т. д.

Расширение круга задач, решаемых радионавигационной аппаратурой, в значительной мере облегчает работу штурмана, повышает эффективность использования навигационных средств и способствует их более широкому внедрению в практику. Более того, создание навигационных комплексов на базе ЭВМ открывает определенные перспективы для реализации автоматизированных систем управления движением объектов.

Тщательная отработка математического обеспечения (МО) позволила при ограниченных вычислительных возможностях микропроцессора обеспечить решение навигационной и сервисных задач. Одной из важных особенностей аппаратуры, способствующей ее высоконадежной работе, является автоматическая проверка работоспособности и поиск неисправностей.

Внедрение микропроцессоров и больших интегральных схем (БИС) наряду с совершенствованием математического обеспечения позволяет построить простую, надежную и дешевую аппаратуру.

22.2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Математическое обеспечение аппаратуры потребителей сетевой СРНС распадается на две части: первичную (ПО) и вторичную (ВТО) обработку информации. Первичная обработка решает задачи поиска и обнаружения сигналов, слежения за ними, измерения радионавигационных параметров, приема и декодирования служебной информации. Вторичная обработка предназначена для решения навигационно-временной задачи и на этой основе - для решения набора сервисных задач, а также для управления ПО, для управления вводом и выводом необходимой информации при реализации каждого из используемых режимов.

Навигационно-временная задача (НАВЗ) состоит в определении пространственных координат и составляющих вектора скорос-

ти потребителя, а также поправок к шкале времени и частоте, задаваемых его бортовым генератором. Навигационно-временная задача решается в результате обработки информации, подготовленной системой ПО: измеренных РНП (временная задержка сигнала и доплеровское смещение его частоты) и служебной информации (эфемериды НИСЗ, поправки к шкалам времени и частоты его бортового генератора).

Бортовая аппаратура потребителя решает НАВЗ в основном, рабочем режиме, кроме которого предусматривается ряд вспомогательных режимов, обеспечивающих подготовку к основному. Это - ввод альманаха (из таблиц или из сигналов НИСЗ), контроль работоспособности аппаратуры и калибровка радиотракта, ввод исходных данных для реализации сервисных задач и т. п.

Алгоритм ВТО представляет собой последовательный набор алгоритмов отдельных режимов, а также так называемый управляющий алгоритм организации этих режимов. Управляющий алгоритм в соответствии со своей функцией именуется также главным диспетчером.

По своей структуре алгоритм режима представляется совокупностью алгоритмов задач, а также управляющим алгоритмом режима (диспетчером режима). Алгоритмы отдельных задач в качестве самостоятельных единиц привлекаются к обеспечению различных режимов.

Каждая задача решается в результате выполнения совокупности процедур - логических и вычислительных; в пределах отдельной задачи процедуры могут образовывать блоки процедур. Каждая процедура реализуется тем или иным оператором.

Управляющие алгоритмы организуют последовательность вычислений и обмен информацией между аппаратной и программной частями устройства. Блочный принцип построения матобеспечения предоставляет широкие возможности для совершенствования алгоритмов в процессе их отладки, по результатам испытаний и эксплуатации путем замены или добавления отдельных процедур при соответствующем расширении логики управляющего алгоритма.

Управляющие алгоритмы - главный диспетчер и диспетчеры отдельных режимов - можно представлять в виде формально-математических операторов, что требует использования соответствующего языка. Однако для составления программ достаточно записывать их в виде структурных схем, сопровождаемых пояснительными текстами.

Алгоритм ПО или ВТО в том или ином режиме задается набором алгоритмов отдельных задач ПО или ВТО, последние реализуются соответствующим набором процедур. Набор процедур и их последовательность зависят не только от установленного режима, но и от подрежима. Дело в том, что при реализации

отдельных режимов возможны их варианты, связанные с тем, как ведется работа: на стоянке или в движении, по реальному сигналу или от имитатора сигналов, какой используется код сигнала [С/А или Р), как работает БАП (самостоятельно или с другими бортовыми навигационными приборами) и т. п. Эти варианты считаются подрежимами и различаются содержанием МО. Например, подрежимы, относящиеся к работе на стоянке и в движении, различаются между собой организацией осреднения координат.

Выбор подрежима ПО или ВТО зависит от целевой задачи, определяемой оператором БАП, условий работы аппаратуры, имеющейся априорной информации и особенностей информационно-вычислительного процесса, обусловленных текущим режимом аппаратуры.

Режим работы выбирает оператор с помощью пульта управления БАП, подрежим - с помощью признаков, хранимых в памяти и вводимых дополнительно при обращении оператора к пульту управления.

Наряду с организацией стандартных вариантов функционирования БАП, полностью определяемых заданными режимом и подрежимом, МО должно обеспечивать адаптацию к условиям использования аппаратуры. Такая адаптация должна проявляться во многих направлениях.

Прежде всего алгоритмическими средствами выбирается та группа радиовидимых НИСЗ, которая по принятому критерию окажется оптимальной. С изменением взаимоположения потребителя и используемых НИСЗ средства МО определяют необходимость в привлечении дополнительных спутников или в формировании рабочего созвездия заново. Математическое обеспечение оценивает качество априорной навигационной информации и в соответствии с этим назначает ту или иную схему поиска сигналов. В зависимости от текущей потребности в уточнении определенных составляющих оцениваемого вектора состояния принимается рещение об использовании того или иного числа НИСЗ. Математическое обеспечение предусматривает адаптацию алгоритмов ВТО к маневрам (динамике) потребителя, к изменению поля помех и к иным изменениям условий применения аппаратуры.

22.3. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ВТО

Наиболее наглядное представление о содержании МО дает рассмотрение набора основных задач ВТО информации. Говоря о задачах, будем иметь в виду те частные алгоритмы, имеющие самостоятельную формулировку, которые используются для организации различных режимов функционирования аппаратуры. Поэтому перечислим основные задачи, входящие в ту часть МО,

которая предназначается для решения навигационно-временной задачи и на этой основе - для решения сервисных задач.

Соберем предварительно воедино сообщенные ранее сведения о частных операциях, которые обеспечивают проведение единичного навигационного цикла, начинающегося подготовкой к измерениям и завершающегося выдачей результатов навигационных определений.

Сеть НИСЗ типа laquo;Глонасс raquo; или laquo;Навстар raquo; обеспечит непрерывную наблюдаемость (при 24-спутниковом комплекте) в любой приземной точке от 5 до 11 НИСЗ. Для решения пространственной навигационно-временной задачи по результатам измерений псевдодальностей и радиальных псевдоскоростей требуются минимум четыре спутника (см. гл. 1 и 14), которые выбираются по определенному правилу. Предполагается, что БАП позволяет проводить либо (см. гл. 1 и 9) одновременные измерения по четырем НИСЗ (многоканальный вариант), либо 11 последовательные (одноканальный вариант). До измерений необходимо организовать поиск сигналов, для ускорения которого используются априорные данные о положении объекта и НИСЗ, захват сигналов и слежение за ними, а параллельно с измерениями - провести прием и декодирование служебной информации (см. гл. 7-9).

Для компенсации ионосферной и тропосферной рефракции следует использовать результаты измерения на двух частотах, а также соответствующие поправки (см. гл. 5 и 10). Результаты измерений надлежит также скорректировать в соответствии со значениями поправок к ШВ и к частоте генератора каждого НИСЗ, передаваемыми в кадре сигнала (см. гл. 10). Переданные в кадре значения альманаха позволяют рассчитать координаты спутников, что используется как при выборе рабочего созвездия, так и при формировании целеуказаний на поиск сигналов (см. гл. 10). Координаты и составляющие скорости НИСЗ на моменты снятия результатов измерений вычисляются по принятым в составе служебной информации эфемеридам (см. гл. 10) в результате краткосрочного прогноза движения НИСЗ. Для решения собственно навигационной задачи можно применять процедуры обработки как по полным выборкам, так и по выборкам нарастающего объема (см. гл. 14, 15). Для определения надежности навигационного сеанса следует оценить точность навигационных определений (см. гл. 16).

Перечисленные операции единичного навигационного сеанса могут реализоваться процедурой ВТО, представляющей собой следующий набор задач (рис. 22.1), включение которых регулируется управляющим алгоритмом.

Выбор рабочего созвездия преследует цель определения номеров тех спутников, с которыми целесообразна работа в течение

Л3ак.1