RU2778179C1 - Method for short-range aviation navigation - Google Patents
Method for short-range aviation navigation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778179C1 RU2778179C1 RU2021139575A RU2021139575A RU2778179C1 RU 2778179 C1 RU2778179 C1 RU 2778179C1 RU 2021139575 A RU2021139575 A RU 2021139575A RU 2021139575 A RU2021139575 A RU 2021139575A RU 2778179 C1 RU2778179 C1 RU 2778179C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- navigation
- aircraft
- range
- interrogator
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 8
- 230000000737 periodic Effects 0.000 claims description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 230000002547 anomalous Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000002045 lasting Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радионавигации и может быть использовано для привода летательного аппарата в заданную точку, возврата и посадки на аэродром, в том числе в условиях крайнего Севера, на необорудованных территориях.The invention relates to the field of radio navigation and can be used to drive the aircraft to a given point, return and land on the airfield, including in the Far North, in unequipped areas.
Известен угломерно-дальномерный способ авиационной ближней радионавигации, включающий измерение на борту летательного аппарата высоты полета, наклонной дальности и азимута радионавигационного пункта с известным местоположением, привод по результатам измерений летательного аппарата в заданную точку, в том числе возврат и заход на посадку на аэродром при расположении радионавигационного пункта вблизи него, путем расчета в пилотажно-навигационном комплексе траектории полета, сопоставления ее с текущими значениями высоты, азимута, дальности и компенсации расхождений соответствующим маневром летательного аппарата.Known goniometer-ranging method of aviation short-range radio navigation, including the measurement on board the aircraft flight altitude, slant range and azimuth of the radio navigation point with a known location, the drive according to the measurement results of the aircraft to a given point, including the return and landing approach to the airfield at the location radio navigation point near it, by calculating the flight trajectory in the flight and navigation complex, comparing it with the current values of altitude, azimuth, range and compensating for discrepancies by the appropriate maneuver of the aircraft.
Измерение наклонной дальности выполняют с помощью бортового за-просчика и ответчика (ретранслятора), расположенного в радионавигационном пункте, включает последовательность следующих операций: излучение бортовым передатчиком радиоимпульса, прием и ретрансляцию его с наземного радионавигационного пункта, прием ретранслированного радиоимпульса бортовым приемником дальномера, измерение запаздывания ретранслированного радиоимпульса относительно излученного с последующим определением дальности.The measurement of the slant range is performed using an onboard interrogator and a transponder (relay) located in the radio navigation point, includes the sequence of the following operations: the radiation of a radio pulse by the onboard transmitter, its reception and retransmission from the ground radio navigation point, the reception of the relayed radio pulse by the onboard rangefinder receiver, the measurement of the delay of the relayed radio pulse relative to the emitted one, followed by ranging.
Измерение азимута включает последовательность следующих операций: излучение радиомаяком азимутального радиосигнала с помощью направленной антенны с вращением диаграммы направленности с одновременной передачей с помощью ненаправленной антенны опорного радиосигнала, несущего информацию о мгновенном положении диаграммы направленности направленной антенны, прием, разделение и детектирование бортовым навигационным приемником этих радиосигналов, измерение разности фаз между продетектированными сигналами и определение по ней азимута. [1. Владимиров В.Л., Ковалев В.В., Хмуров Н.Н. Средства и системы радионавигационного обеспечения летательных аппаратов. - М.: Военное издательство, 1990, с. 320-343].Azimuth measurement includes a sequence of the following operations: radiation of an azimuth radio signal by a beacon using a directional antenna with rotation of the radiation pattern with simultaneous transmission of a reference radio signal using an omnidirectional antenna, which carries information about the instantaneous position of the radiation pattern of the directional antenna, reception, separation and detection of these radio signals by the onboard navigation receiver, measuring the phase difference between the detected signals and determining the azimuth from it. [one. Vladimirov V.L., Kovalev V.V., Khmurov N.N. Means and systems of radio navigation support for aircraft. - M.: Military publishing house, 1990, p. 320-343].
Из-за недостаточной точности измерений данным способом не обеспечивается процесс непосредственно посадки летательного аппарата на аэродром. Другими недостатками являются необходимость привлечения значительного частотного ресурса, набора наземного и бортового оборудования, низкое быстродействие обусловленное инерционностью процесса вращения диаграммы направленности антенны.Due to the insufficient measurement accuracy, this method does not ensure the process of directly landing the aircraft on the airfield. Other disadvantages are the need to attract a significant frequency resource, a set of ground and onboard equipment, low performance due to the inertia of the antenna pattern rotation process.
Известен способ ближней радионавигации и посадки самолета, который после захода самолета на посадку включает: измерение наклонной дальности с помощью бортового оборудования и наземного ретранслятора, формирование излучениями наземных курсового и глиссадного радиомаяков равносигнальных зон электромагнитного поля с различающимися частотами модуляции в горизонтальной плоскости в направлении оси взлетно-посадочной полосы и в вертикальной плоскости под углом планирования самолета, регистрацию с помощью бортовых приемников отклонения самолета от нее, полет в направлении оси равносигнальных зон путем компенсации отклонения от нее [1, стр. 235-237].A method of short-range radio navigation and landing of an aircraft is known, which, after the aircraft approaches for landing, includes: measuring the slant range using on-board equipment and a ground-based repeater, generating, by radiation from ground-based localizers and glide slope radio beacons, equal-signal zones of an electromagnetic field with different modulation frequencies in a horizontal plane in the direction of the take-off axis runway and in the vertical plane at the plane's glide angle, registration of the aircraft's deviation from it with the help of on-board receivers, flight in the direction of the axis of equisignal zones by compensating for the deviation from it [1, pp. 235-237].
Наземный ретранслятор, курсовой и глиссадный радиомаяки расположены в непосредственной близости от аэродрома.The ground repeater, localizer and glide slope radio beacons are located in close proximity to the airfield.
Данный способ дополняет предыдущий и применяется в комбинации, последовательно с ним. Недостатком способа является необходимость привлечения значительного частотного ресурса, набора наземного и бортового оборудования, применяемого для решения только одной частной, хотя и важной задачи, посадки самолета. Инерционен процесс переориентации линии глиссады на другие взлетно-посадочные полосы с изменением направления взлета-посадки. Излучения ретранслятора, курсового и глиссадного радиомаяков демаскируют расположение аэродрома.This method complements the previous one and is used in combination, sequentially with it. The disadvantage of this method is the need to involve a significant frequency resource, a set of ground and airborne equipment used to solve only one particular, albeit important, task, landing an aircraft. The process of reorientation of the glide path line to other runways with a change in the direction of takeoff and landing is inertial. Emissions of the repeater, localizer and glide path radio beacons unmask the location of the airfield.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту (прототип) является способ ближней авиационной радионавигации, который включает измерение высоты полета и скорости ее изменения с помощью бортовых средств измерения высоты, определение координат местоположения летательного аппарата и вектора скорости, управление полетом путем компенсации отклонений углов ориентации вектора дальности от летательного аппарата до заданной точки наведения (заданный курс и заданный угол наклона траектории) от углов ориентации вектора скорости (текущий угол пути и угол наклона траектории), соответствующим изменением последнего. [2. Системы управления и бортовые цифровые вычислительные комплексы летательных аппаратов. Под ред. Н.М. Лысенко. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1990, с. 272-280].The closest in technical essence and the achieved effect (prototype) is a method of short-range aviation radio navigation, which includes measuring the flight altitude and its rate of change using on-board altitude measuring instruments, determining the coordinates of the aircraft location and the velocity vector, flight control by compensating for deviations in the orientation angles of the vector the distance from the aircraft to a given point of guidance (given heading and a given angle of inclination of the trajectory) from the orientation angles of the velocity vector (current angle of the path and the angle of inclination of the trajectory), the corresponding change in the latter. [2. Control systems and on-board digital computer systems for aircraft. Ed. N.M. Lysenko. Moscow: VVIA im. prof. NOT. Zhukovsky, 1990, p. 272-280].
Определение координат местоположения летательного аппарата и вектора скорости может выполняться псевдодальномерно-доплеровским способом радионавигации, который включает формирование радионавигационного поля путем синхронного излучения широкополосных периодических радиосигналов с заданным дальномерным кодом из пространственно разнесенных радионавигационных пунктов с известными координатами, прием радиосигналов с помощью бортового навигационного приемника, по заданному дальномерному коду разделение принятых сигналов, измерение радионавигационных параметров: моментов прихода и частоты радиосигналов, с учетом неопределенности этих параметров определение навигационных параметров: псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей, определение в горизонтальной плоскости по навигационным параметрам с учетом высоты полета координат летательного аппарата и, дополнительно с учетом скорости изменения высоты, вектора скорости. [3. ГЛОНАС. Принципы построения и функционирования/ Под. Ред. А.И. Петрова, В.Н. Харисова. - М.: Радиотехника, 2005, с. 12-17].The determination of the coordinates of the location of the aircraft and the velocity vector can be performed by a pseudorange-Doppler method of radio navigation, which includes the formation of a radio navigation field by synchronous emission of broadband periodic radio signals with a given ranging code from spatially separated radio navigation points with known coordinates, the reception of radio signals using an onboard navigation receiver, according to a given rangefinding code, separation of received signals, measurement of radio navigation parameters: moments of arrival and frequency of radio signals, taking into account the uncertainty of these parameters, determination of navigation parameters: pseudoranges and pseudoradial speeds, determination in the horizontal plane by navigation parameters, taking into account the flight altitude of the coordinates of the aircraft and, additionally, taking into account the speed changes in altitude, velocity vector. [3. GLONAS. Principles of construction and functioning / Under. Ed. A.I. Petrova, V.N. Kharisov. - M.: Radio engineering, 2005, p. 12-17].
Недостатком способа-прототипа в сочетании с псевдодальномерно-доплеровским способом радионавигации является низкая точность привода летательного аппарата в заданный пункт, обусловленная низкой точностью определения координат и вектора скорости летательного аппарата, особенно в дальней зоне.The disadvantage of the prototype method in combination with the pseudorangefinder-Doppler method of radio navigation is the low accuracy of the drive of the aircraft to a given point, due to the low accuracy of determining the coordinates and velocity vector of the aircraft, especially in the far zone.
Техническим результатом изобретения является повышение точности наведения в заданный пункт за счет повышения точности определения координат и вектора скорости летательного аппарата.The technical result of the invention is to increase the accuracy of pointing to a given point by improving the accuracy of determining the coordinates and the velocity vector of the aircraft.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе авиационной ближней радионавигации, включающем измерение высоты полета летательного аппарата и скорости ее изменения с помощью бортовых средств измерения высоты, формирование радионавигационного поля путем синхронного излучения широкополосных периодических радиосигналов с заданным дальномерным кодом из пространственно разнесенных радионавигационных пунктов с известными координатами, прием радиосигналов с помощью бортового навигационного приемника, по заданному дальномерному коду разделение принятых сигналов, измерение радионавигационных параметров: моментов прихода и частоты радиосигналов, с учетом неопределенности этих параметров определение навигационных параметров: псевдодальностей и псевдорадиальных скоростей, определение в горизонтальной плоскости по навигационным параметрам, с учетом измеренной высоты полета, координат летательного аппарата и, дополнительно с учетом скорости изменения высоты, вектора скорости, управление полетом по полученным координатам и вектору скорости соответствующим изменением последнего, согласно изобретению формируют радионавигационное поле, по меньшей мере, тремя радионавигационными пунктами, расположенными на земной поверхности в окрестности аэродрома, дополнительно с помощью бортового запросчика и наземного ретранслятора по излучению радиосигнала запросчика измеряют совместно запаздывание и частотный сдвиг ретранслированного сигнала, по этим измерениям определяют наклонную дальность и радиальную скорость полета на ретранслятор, при этом радиосигнал запросчика кодируют дальномерным кодом, а координаты и вектор скорости определяют с учетом полученной наклонной дальности и радиальной скорости.This result is achieved by the fact that in the known method of aviation short-range radio navigation, including measuring the flight altitude of an aircraft and the rate of its change using on-board altitude measuring instruments, the formation of a radio navigation field by synchronous emission of broadband periodic radio signals with a given ranging code from spatially separated radio navigation points with known coordinates, reception of radio signals using an onboard navigation receiver, separation of received signals according to a given ranging code, measurement of radio navigation parameters: moments of arrival and frequency of radio signals, taking into account the uncertainty of these parameters, determination of navigation parameters: pseudo-ranges and pseudo-radial velocities, determination in a horizontal plane by navigation parameters, taking into account the measured flight altitude, aircraft coordinates and, additionally, taking into account the rate of change of altitude, velocity vector, control i.e. by flying along the obtained coordinates and the velocity vector, by the corresponding change of the latter, according to the invention, a radio navigation field is formed by at least three radio navigation points located on the earth's surface in the vicinity of the airfield, additionally using an on-board interrogator and a ground-based repeater, the delay and the frequency shift of the retransmitted signal, these measurements determine the slant range and radial speed of flight to the repeater, while the radio signal of the interrogator is encoded with a ranging code, and the coordinates and velocity vector are determined taking into account the obtained slant range and radial speed.
Технический результат достигается также за счет того, что радионавигационные пункты расположены в вершинах правильного многоугольника, центр которого совмещен с центром взлетно-посадочной полосы аэродрома, а ретранслятор территориально совмещен с одним из радионавигационных пунктов.The technical result is also achieved due to the fact that the radio navigation points are located at the vertices of a regular polygon, the center of which is aligned with the center of the airfield runway, and the repeater is geographically aligned with one of the radio navigation points.
Технический результат достигается также за счет того, что излучают запросчиком радиосигнал в заданный для каждого летательного аппарата момент времени из условия отсутствия на интервале времени от момента начала излучения радиосигнала до завершения приема ретранслированного радиосигнала излучений запросчиков других летательных аппаратов.The technical result is also achieved due to the fact that the radio signal is emitted by the interrogator at the time specified for each aircraft from the condition of absence in the time interval from the moment the radio signal begins to be emitted until the reception of the relayed radio signal is completed of the radiation of the interrogators of other aircraft.
Сущность изобретения состоит в том, что формируют радионавигационное поле, по меньшей мере тремя, радионавигационными пунктами, расположенными на земной поверхности в окрестности аэродрома, дополнительно с помощью бортового запросчика и наземного ретранслятора по излучению радиосигнала запросчика измеряют совместно запаздывание и частотный сдвиг ретранслированного сигнала, по этим измерениям определяют наклонную дальность и радиальную скорость полета на ретранслятор, при этом радиосигнал запросчика кодируют дальномерным кодом, а координаты и вектор скорости определяют с учетом полученной наклонной дальности и радиальной скорости.The essence of the invention lies in the fact that a radio navigation field is formed by at least three radio navigation points located on the earth's surface in the vicinity of the aerodrome, additionally using an on-board interrogator and a ground-based repeater, the delay and frequency shift of the retransmitted signal are measured jointly by the interrogator's radio signal radiation, using these measurements determine the slant range and radial speed of flight to the repeater, while the radio signal of the interrogator is encoded with a ranging code, and the coordinates and velocity vector are determined taking into account the obtained slant range and radial speed.
Сформированным радионавигационным полем в области ограниченной радиусом системы радионавигационных пунктов с расположением их в вершинах правильного многоугольника, центр которого совмещен с центром взлетно-посадочной полосы аэродрома, погрешности навигационных определений минимальны. Это способствует повышению точности наведения летательного аппарата и безопасности маневров захода и посадки. В дальней зоне погрешности резко возрастают.The generated radio navigation field in the area of the system of radio navigation points limited by the radius with their location at the vertices of a regular polygon, the center of which is aligned with the center of the airfield runway, the errors of navigation definitions are minimal. This improves the accuracy of the guidance of the aircraft and the safety of approach and landing maneuvers. In the far zone, the errors increase sharply.
Кодированием радиосигнала запросчика дальномерным кодом обеспечивается совместность, одновременность по одному запросу измерения запаздывания и частотного сдвига со снятием неопределенности точки отсчета, присущей наклонным псевдодальностям и псевдорадиальным скоростям способа-прототипа. Погрешности такого совместного определения наклонной дальности и радиальной скорости не зависят от дальности.Coding the radio signal of the interrogator with a ranging code ensures consistency, simultaneity for one request of measuring the delay and frequency shift with the removal of the uncertainty of the reference point inherent in oblique pseudo-ranges and pseudo-radial speeds of the prototype method. The errors of such a joint determination of the slant range and the radial velocity do not depend on the range.
За счет этого, учета полученной наклонной дальности и радиальной скорости в совокупности со всеми навигационными определениями, независимыми для разных типов, достигается повышение точности определения координат и вектора скорости и тем самым повышение точности наведения.Due to this, taking into account the obtained slant range and radial velocity in combination with all navigation definitions, independent for different types, an increase in the accuracy of determining the coordinates and the velocity vector is achieved, and thereby an increase in the guidance accuracy.
Сущность и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.The essence and features of the present invention are explained by a variant of its implementation with reference to the attached figures.
На фиг. 1 представлены временные диаграммы функционирования системы навигации при массовом применении летательных аппаратов.In FIG. 1 shows the timing diagrams of the functioning of the navigation system in the mass use of aircraft.
На фиг. 2 показан план размещения на земной поверхности по вершинам равностороннего треугольника радионавигационных пунктов системы минимального состава. Пункты системы обозначены жирными точками с указанием номеров. Пункт с номером 0 является центральным, находится на продолжении взлетно-посадочной полосы (ВПП) в виде вытянутого прямоугольника. Ромбиком отмечено положение летательного аппарата, движущегося по указанной прямой линии в центр ВПП. Центр системы горизонтальных координат совмещен с центром ВПП, ордината у направлена в опорном направлении, например северном, тогда абсцисса х направлена на восток.In FIG. 2 shows a plan for placing on the earth's surface along the vertices of an equilateral triangle radio navigation points of a system of minimum composition. The points of the system are indicated by bold dots with numbers.
На фиг. 3 приведена структурная схема варианта системы навигации, в которой реализуется предложенный способ. Штриховыми линиями условно показаны пути распространения радиоволн.In FIG. Figure 3 shows a block diagram of a variant of the navigation system in which the proposed method is implemented. Dashed lines conditionally show the propagation paths of radio waves.
На фиг. 4 и фиг. 5 показано поле рассеивания оценок координат и скорости в горизонтальной плоскости при удалении летательного аппарата от центра ВПП в дальнюю зону на дальность 300 км и в ближнюю зону на 5 км, примерно в точку так называемого четвертого разворота. Рисунки, обозначенные как а) и б) - рассеивание оценок координат и скорости в отсутствии измерений наклонной дальности и радиальной скорости (прототип, псевдо-дальномерно-доплеровский метод), рисунки в) и г) - аналогично при наличии этих измерений посредством запросчика и ретранслятора. Центры соответствующих систем координат перенесены в точку истинных значений. Пунктирной прямой линией отмечен маршрут движения, тонкими линиями - расчетный в отсутствии измерений наклонной дальности и радиальной скорости эллипс рассеивания.In FIG. 4 and FIG. Figure 5 shows the dispersion field of coordinates and velocity estimates in the horizontal plane when the aircraft moves away from the center of the runway to the far zone at a distance of 300 km and to the near zone at a distance of 5 km, approximately to the point of the so-called fourth turn. Figures marked as a) and b) - scatter of position and velocity estimates in the absence of slant range and radial velocity measurements (prototype, pseudo-ranging-Doppler method), figures c) and d) - similarly if these measurements are available by interrogator and repeater . The centers of the corresponding coordinate systems are moved to the point of true values. The dotted straight line marks the route of movement, the thin lines show the dispersion ellipse calculated in the absence of measurements of slant range and radial velocity.
Система навигации фиг. 3 включает радионавигационные пункты 1.1-1.3, бортовое оборудование 2, включающее антенну 3, радионавигационный приемник 4, навигационно-пилотажный комплекс 5, запросчик 6, радиовысотомер 7 и опорный генератор 8, пункт синхронизации, включающий опорный генератор 10, элементы задержки 11.1, 11.2 и ретранслятор 12.The navigation system of FIG. 3 includes radio navigation stations 1.1-1.3, on-
Первый выход опорного генератора 10 пункта синхронизации 9 соединен с входами элементов задержки 11.1, 11.2 и входом радионавигационного пункта 1.3. Выходы элементов задержки 11.1, 11.2 подключены к входам соответственно радионавигационных пунктов 1.2, 1.1. Второй выход опорного генератора 10 соединен с входом ретранслятора 12. Антенна 3, первый вход навигационного приемника 4 и навигационно-пилотажный комплекс 5 бортового оборудования 2 соединены последовательно. Опорный генератор 8 соединен с запросчиком 6, выход которого подключен ко второму входу навигационного приемника 4. Выход радиовысотомера 7 соединен с третьим входом навигационного приемника 4.The first output of the
Бортовой радиовысотомер 7 является штатным средством летательного аппарата, выполняет зондирование земной поверхности и по задержке отраженного сигнала измеряют высоту полета. По разности измерений за заданный промежуток времени определяется скорость изменения высоты.The
Ретранслятор 12 и пункт синхронизации 9 территориально совмещены с одним из радионавигационных пунктов, центральным, например 1.1. В наиболее удаленный от центрального пункта радионавигационный пункт 1.3 синхросигналы от опорного генератора 10 пункта синхронизации 9 поступают без дополнительной задержки. Для варианта системы в виде равностороннего треугольника на все периферийные пункты 1.2, 1.3 устанавливается нулевая задержка. Передача синхросигналов от опорного генератора 10 пункта синхронизации 9 в радионавигационные пункты 1.1-1.3 может осуществляться по радиоканалу или, например по волоконно-оптическим линиям связи.The
Радионавигационными пунктами 1.1-1.3 формируется радионавигационное поле путем синхронного излучения широкополосных периодических радиосигналов с заданным дальномерным кодом. Эти пункты представляют собой сильно упрощенный вариант бортового спутникового источника радионавигационных сигналов системы ГЛОНАС. Принятые в этой системе принципы и параметры сигналов применимы и в настоящем изобретении: частотное разделение радионавигационных каналов, период излучения 1 мс, длительность элементарного импульса 2 мкс, база 511, двоичная фазовая модуляция (ФМ-2). Соответственно навигационный приемник 4 есть сильно упрощенная копия аппаратуры потребителя указанной спутниковой системы. Наряду с вариантом частотного разделения каналов возможен принцип кодового разделения принятый в системе GPS.Radio navigation items 1.1-1.3 is formed radionavigation field by synchronous emission of broadband periodic radio signals with a given ranging code. These points are a highly simplified version of the onboard satellite source of radio navigation signals of the GLONAS system. The principles and signal parameters adopted in this system are also applicable in the present invention: frequency separation of radio navigation channels,
В канале запросчик 6 - ретранслятор 12 применимы указанные параметры сигналов, но со следующими особенностями. Запрос осуществляется радиосигналами по-прежнему длительностью 1 мс, но в отличие от способа-аналога с заданным дальномерным кодом запросчика. По получении от запросчика 6 сигнала в ретрансляторе 12 фиксируют момент прихода запроса (сигнала), выполняют опознавание принадлежности и по окончании переизлучают (ретранслируют) с последующим совместным измерением в запросчике радионавигационных параметров: запаздывания и частотного доплеровского сдвига ретранслированного радиосигнала относительно излученного (запросного). Затем определяют, умножением соответственно на скорость света и длину волны, навигационные параметры: наклонную дальность и радиальную скорость. Излучают бортовым запросчиком радиосигнал в заданный для каждого летательного аппарата момент времени из условия отсутствия на интервале времени от момента начала излучения радиосигнала до завершения приема ретранслированного радиосигнала излучений запросчиков других летательных аппаратов. Для выполнения этого условия бортовой опорный генератор 8 синхронизируют с опорным генератором 10 наземного пункта синхронизации 9.In the channel interrogator 6 -
Временные диаграммы функционирования системы ближней радионавигации фиг. 1 иллюстрируют возможность обеспечения операции запроса-ретрансляции на одной частоте для совокупности 100 летательных аппаратов по принципу временного разделения каналов.Timing diagrams of the functioning of the short-range radio navigation system of FIG. 1 illustrate the possibility of providing a request-retransmission operation on a single frequency for a population of 100 aircraft on a time division basis.
На эпюре а) показана тактовая периодическая последовательность импульсов синхронизации наземного 10 опорного генератора с периодом 1 мс.Plot a) shows the clock periodic sequence of synchronization pulses of the
На эпюре б) показаны циклы и кадр функционирования системы.Plot b) shows the cycles and frame of the system operation.
Цикл длительностью 6 мс включает: з1 - интервал времени излучения сигнала запроса запросчиком 6 первого летательного аппарата, далее пропуск на время распространения до ретранслятора 12 из расчета на максимальную дальность 300 км, п1 - прием запроса ретранслятором, p1 - ретрансляция первого запросного сигнала, далее пропуск на время обратного пути, П1 - прием ответного сигнала запросчиком 6.A 6 ms cycle includes: s1 - the time interval for the emission of the request signal by the
Во втором цикле выполняется запрос вторым летательным аппаратом и т.д. в течение кадра 0,6 с. Затем процесс циклически повторяется.In the second cycle, the request is made by the second aircraft, and so on. during the frame 0.6 s. The process is then repeated cyclically.
Возможен вариант реализации способа с ретрансляцией на частоте отличной от частоты приема. Тогда длительность цикла и кадра сокращается вдвое.It is possible to implement the method with retransmission at a frequency different from the reception frequency. Then the duration of the cycle and frame is halved.
Приведенные здесь и далее различные варианты выполнения операций способа приводят к заявленному техническому решению.Given hereinafter, various options for performing the operations of the method lead to the claimed technical solution.
Последующий принцип функционирования системы ближней радионавигации фиг. 3 состоит в следующем.The subsequent operating principle of the short-range radio navigation system of FIG. 3 is as follows.
С помощью бортового радиовысотомера 7 измеряют высоту полета летательного аппарата над земной поверхностью и скорость ее измененияUsing the
В уравнениях взаимосвязи (1), (2) здесь и далее измерения и оценки отмечены скобкой над соответствующими навигационными параметрами.In the relationship equations (1), (2), hereinafter, measurements and estimates are marked with brackets above the corresponding navigation parameters.
Опорным генератором 10 пункта синхронизации 9 формируют периодическую последовательность импульсов синхронизации. Эти импульсы задерживаются в элементах задержки 11.1-11.2 с обеспечением одновременного поступления в радионавигационные пункты 1.1-1.3.The
В радионавигационных пунктах по импульсам синхронизации формируют и синхронно, одновременно излучают широкополосные периодические радиосигналы с заданным дальномерным кодом.In radio navigation points, synchronization pulses are used to generate and synchronously, simultaneously emit broadband periodic radio signals with a given ranging code.
С помощью антенны 3 и бортового навигационного приемника 4 из состава бортового радиотехнического оборудования 2 летательного аппарата осуществляют прием излученных радиосигналов и их разделение.Using the
Принятые сигналы различаются запаздыванием и доплеровским сдвигом частоты, определяемым скоростью и направлением полета, взаимным положением летательного аппарата и радионавигационных пунктов.The received signals differ in delay and Doppler frequency shift, determined by the speed and direction of flight, the relative position of the aircraft and radio navigation points.
По заданному дальномерному коду измеряют радионавигационные параметры: моменты прихода и несущую частоту принятых радиосигналов, и определяют навигационные параметры, псевдодальность и псевдорадиальную скорость где n=0,…,N-1 - номер радионавигационного пункта при общем количестве N≥3.According to the given ranging code, the radio navigation parameters are measured: the moments of arrival and the carrier frequency of the received radio signals, and the navigation parameters, pseudo-range are determined and pseudo-radial speed where n=0,…,N-1 is the number of the radio navigation point with a total number of N≥3.
Для навигационных измерений псевдодальности и псевдорадиальной скорости известны [3, с. 69-74] уравнения взаимосвязиFor navigation measurements, pseudo-range and pseudo-radial velocity are known [3, p. 69-74] relationship equations
где D', V' - неопределенность точки отсчета дальности и радиальной скорости.where D', V' is the range and radial velocity reference point uncertainty.
Неопределенность точки отсчета дальности обусловлена отсутствием высокоточной синхронизации моментов наземного излучения и бортового приема, а радиальной скорости нестабильностью частоты генераторов при излучении и приеме.The uncertainty of the range reference point is due to the lack of high-precision synchronization of the moments of ground-based radiation and on-board reception, and the radial velocity is due to the instability of the frequency of the generators during emission and reception.
Для упрощения записи зависимости истинных значений параметров Dn от высоты z и горизонтальных координат х,у, a Vn дополнительно от составляющих вектора скорости полета в вертикальной Vz и горизонтальной плоскости Vx,Vy не указаны.To simplify the recording of the dependence of the true values of the parameters D n on the height z and horizontal coordinates x, y, a V n , in addition to the components of the flight velocity vector in the vertical Vz and horizontal plane Vx, Vy are not indicated.
Составляющие вектора скорости взаимосвязаны с параметрами траектории полета, курсом (путевым углом) ψ и углом наклона траектории ϕ:The components of the velocity vector are interconnected with the parameters of the flight trajectory, the heading (track angle) ψ and the angle of inclination of the trajectory ϕ:
где V - модуль линейной скорости полета.where V is the module of the linear flight speed.
Отсчет положительных значений курса выполняется по часовой стрелке от оси ординат, а угла наклона траектории от горизонтальной плоскости вверх.The positive course values are counted clockwise from the y-axis, and the trajectory inclination angle is upwards from the horizontal plane.
Истинные значения наклонной дальности и радиальной скорости равныThe true values of slant range and radial velocity are equal to
где Xn, Yn, Zn - координаты радионавигационных пунктов.where X n , Y n , Z n - coordinates of radio navigation points.
С помощью бортового запросчика 6 и ретранслятора 12 измеряют наклонную дальность до центрального радионавигационного пункта и одновременно радиальную скорость с уравнениями взаимосвязиWith the help of the
С учетом измеренной высоты (1), наклонной дальности (8) и псевдодальности (3) определяют, дополнительно к измеренной высоте полета, горизонтальные координаты, например методом наименьших квадратов, как положение минимума по неизвестным навигационным параметрам суммы квадратов разности измеренных и истинных значений навигационных параметров с весом обратно пропорциональным дисперсии измерений Taking into account the measured altitude (1), slant range (8) and pseudorange (3), in addition to the measured flight altitude, horizontal coordinates are determined, for example, by the least squares method, as the position of the minimum for unknown navigation parameters of the sum of squares of the difference between the measured and true values of the navigation parameters with a weight inversely proportional to the measurement variance
где - дисперсия измерений наклонной и псевдодальности, - операция замены в функции слева истинного значения высоты измеренным параметром.where is the variance of the slant and pseudorange measurements, - replacement operation in the function on the left of the true height value by the measured parameter.
При минимизации по формуле (10) требуется привлечение численных методов.Minimization by formula (10) requires the use of numerical methods.
При полной неопределенности о местоположении летательного аппарата на основе работы [4. Щербачев В.А. Замкнутые решения при определении координат в распределенной разностно-дальномерной системе. «Радиотехника», 2013, №4, с. 4-8.] определение местоположение обеспечивается решением системы уравнений взаимосвязи (3) в алгебраической формеWith complete uncertainty about the location of the aircraft based on [4. Shcherbachev V.A. Closed-loop solutions in determining coordinates in a distributed difference-range-measuring system. "Radio engineering", 2013, No. 4, p. 4-8.] determination of the location is provided by solving the system of interconnection equations (3) in algebraic form
где - вектор оценок горизонтальных координат, m=0,…,N-2, - разность дальностей, волнистая черта над величиной - операция центрирования, вычитания из исходной величины соответствующего значения координаты центрального радионавигационного пункта, - операция псевдообращения матрицы, Т - знак транспонирования, -1 - операция обращения матрицы.where - vector of estimates of horizontal coordinates, m=0,…,N-2, - range difference, wavy line above the value - centering operation, subtraction from the initial value of the corresponding value of the coordinate of the central radio navigation point, - matrix pseudo-inversion operation, T - transposition sign, -1 - matrix inversion operation.
В соответствии с формулой (11) определение координат выполняют по разности псевдодальности относительно центрального пункта, а учет измеренной наклонной дальности (8) выполняют заменой ее неизвестного значения на измеренное. Дисперсии измерений не учитываются, что сопровождается некоторыми потерями потенциальной точности.In accordance with formula (11), the coordinates are determined by the difference in pseudorange relative to the central point, and the measured slant range (8) is taken into account by replacing its unknown value with the measured one. Measurement variances are not taken into account, which is accompanied by some loss of potential accuracy.
Уточнение оценок координат (11) достигается линеаризацией функции наклонной дальности (6) в окрестности путем разложения в ряд Тейлора с удержанием трех членов, затем решением системы уравнений взаимосвязи (3), (8) и получением уточненных оценок также в алгебраической формеRefinement of coordinate estimates (11) is achieved by linearizing the slant range function (6) in the neighborhood by expanding in a Taylor series with the retention of three terms, then solving the system of interconnection equations (3), (8) and obtaining refined estimates also in algebraic form
где - вектор уточненных оценок координат, - операция замены в функции слева неизвестных величин их оценочными значениями where - vector of updated estimates of coordinates, - the operation of replacing unknown values in the function on the left with their estimated values
И в формуле (12) исходными являются разности псевдодальностей, а учет наклонной дальности выполняют с весом пропорциональным дисперсии, дополнительно оценивают неопределенность псевдодальностей.And in formula (12), the pseudorange differences are initial, and the slant range is taken into account with a weight proportional to the variance, and the pseudorange uncertainty is additionally estimated.
Далее в процессе полета для сокращения количества расчетных операций целесообразен переход в режим слежения, когда расчет по формуле (11) не выполняют, а в качестве оценочных значений горизонтальных координат в формуле (12) при выполнении операции замены используют результат предыдущего измерения.Further in the course of the flight, in order to reduce the number of calculation operations, it is advisable to switch to the tracking mode, when the calculation according to formula (11) is not performed, but as the estimated values of the horizontal coordinates in formula (12) when performing the replacement operation use the result of the previous measurement.
По полученным координатам (10) или (12) решением системы линейных уравнений взаимосвязи (4), (9) с учетом измеренной высоты, скорости ее изменения, дисперсии измерений радиальной и псевдорадиальной скорости определяют вектор скорости полета в горизонтальной плоскостиBased on the obtained coordinates (10) or (12), by solving the system of linear relationship equations (4), (9), taking into account the measured height, the rate of its change, the dispersion of measurements of the radial and pseudo-radial speed, the flight velocity vector in the horizontal plane is determined
где - вектор оценок составляющих вектора скорости, - операция замены в функции слева неизвестных величин их оценками - дисперсия измерений радиальной и псевдорадиальной скорости.where - vector of estimates of the components of the velocity vector, - the operation of replacing unknown quantities in the function on the left by their estimates - dispersion of measurements of radial and pseudo-radial velocity.
В отсутствии измерений наклонной дальности и радиальной скорости дисперсии Соответствующие компоненты в формулах (12), (13) обращаются в ноль с переходом к псевдодальномерно-доплеровскому методу навигационных определений способа-прототипа.In the absence of slant range measurements and radial speed dispersion The corresponding components in the formulas (12), (13) vanish with the transition to the pseudorange-Doppler method of navigation definitions of the prototype method.
Полученные координаты составляющие вектора скорости в горизонтальной плоскости с выхода навигационного приемка 4, а также измеренная высота и скорость ее изменения поступают в пилотажно-навигационный комплекс 5 для управления полетом.Received coordinates components of the velocity vector in the horizontal plane from the exit of
В пилотажно-навигационном комплексе 5 по полученным координатам и координатам точки наведения (xo,yo,zo) определяют вектор дальности от летательного аппарата в точку наведения и углы его ориентации в горизонтальной (заданный угол пути) и вертикальной (заданный угол наклона траектории) плоскостиIn the flight and
Определяют углы ориентации вектора скоростиDetermine the orientation angles of the velocity vector
Управление полетом выполняют путем компенсации отклонений углов ориентации вектора дальности (14) и вектора скорости (15), изменением последнего соответствующим маневром в горизонтальной и вертикальной плоскости путем воздействия на исполнительные элементы летательного аппарата.Flight control is performed by compensating for deviations in the orientation angles of the range vector (14) and the velocity vector (15), by changing the latter with an appropriate maneuver in the horizontal and vertical plane by influencing the executive elements of the aircraft.
Для доказательства заявленного технического результата и количественной сравнительной со способом-прототипом оценки достигаемой точности выполнено имитационно-статистическое моделирование с расчетом навигационных параметров по формулам (11), (12) применительно к системе радиусом 10 км с конфигурацией фиг. 1. Результаты показаны на фиг. 4, 5. При моделировании к истинным значениям измеряемых параметров добавлялись нормальные случайные погрешности из расчета достигнутых в системе ГЛОНАС со средними квадратическими отклонениями равными 30 м для псевдодальности, 0,3 м/с для псевдорадиальной скорости и в полтора раза меньших для наклонной дальности и радиальной скорости по причине удвоения значений параметров на пути ретрансляции. Установлена высота полета для ближней зоны 600 м на дальности 5 км, для дальней зоны 6000 м на дальности 300 км. Высота подъема излучателей радионавигационных пунктов 10 м. Скорость полета 80 м/с, курс - 120 град на центр взлетно-посадочной полосы (ВПП) по ее оси со снижением при углах наклона траектории -6,8 град и -1,1 град, соответственно в ближней и дальней зоне.To prove the claimed technical result and a quantitative comparative assessment of the achieved accuracy with the prototype method, simulation-statistical modeling was performed with the calculation of navigation parameters according to formulas (11), (12) in relation to a system with a radius of 10 km with the configuration of Fig. 1. The results are shown in FIG. 4, 5. When modeling, normal random errors were added to the true values of the measured parameters based on those achieved in the GLONAS system with standard deviations equal to 30 m for pseudorange, 0.3 m/s for pseudoradial velocity and one and a half times less for slant range and radial speed due to the doubling of parameter values on the relay path. The flight altitude for the near zone is 600 m at a distance of 5 km, for the far zone 6000 m at a distance of 300 km. The height of the emitters of the radio navigation points is 10 m. The flight speed is 80 m/s, the heading is 120 degrees to the center of the runway (RWY) along its axis with a decrease at trajectory inclination angles of -6.8 degrees and -1.1 degrees, respectively in the near and far zone.
В дальней зоне и определении навигационных параметров псевдодальномерно-доплеровским методом способа-прототипа фиг. 4а), б) поле рассеивания оценок координат и скорости концентрируется вблизи линии пеленга симметрично относительно истинного значения с большим диапазоном рассеивания. Привлечение измерений дальности и радиальной скорости кардинально повышает точность и надежность навигационного решения фиг .4в), г). В ближней зоне фиг. 5 изменения менее значимые, но соответствующее рассеивание снижается примерно в два раза в направлении пункта наведения, центра ВПП.In the far zone and the determination of navigation parameters by the pseudorangefinder-Doppler method of the prototype method of FIG. 4a), b) the field of dispersion of estimates of coordinates and speed is concentrated near the bearing line symmetrically with respect to the true value with a large range of dispersion. Involving measurements of range and radial velocity dramatically improves the accuracy and reliability of the navigation solution of Fig.4c), d). In the near zone of Fig. 5, the changes are less significant, but the corresponding scatter is reduced by about a factor of two in the direction of the guidance point, the center of the runway.
В таблице 1 приведены средние квадратические ошибки определения параметров векторов дальности и скорости (14), (15), соответствующие условиям, принятым при моделировании фиг. 4, 5. В таблице обозначено: вариант 1 - способ-прототип, вариант 2 - предлагаемый способ.Table 1 shows the root-mean-square errors in determining the parameters of the range and velocity vectors (14), (15), corresponding to the conditions adopted in the simulation of Fig. 4, 5. The table indicates: option 1 - prototype method, option 2 - the proposed method.
Согласно данным таблицы 1 для способа-прототипа в дальней зоне на дальности 300 км возникают значительные ошибки определения углов ориентации вектора дальности и вектора скорости, для последнего вплоть до аномальных. В предлагаемом способе 2 такие ошибки существенно снижаются. В ближней зоне примерно в два раза уменьшаются ошибки определения вектора скорости. Соответственно повышается точность привода летательного аппарата в заданный пункт.According to table 1 for the prototype method in the far field at a distance of 300 km there are significant errors in determining the orientation angles of the range vector and the velocity vector, for the latter up to anomalous. In the proposed
Таким образом, заявленный способ авиационной ближней радионавигации обеспечивает повышение точности наведения летательного аппарата в заданный пункт за счет повышения точности определения координат и вектора скорости летательного аппарата.Thus, the claimed method of aviation short-range radio navigation provides an increase in the accuracy of pointing the aircraft to a given point by increasing the accuracy of determining the coordinates and the velocity vector of the aircraft.
Вследствие относительно небольшого необходимого для реализации набора наземного оборудования (в сравнении со способами-аналогами и особенно способом-прототипом в варианте спутниковой глобальной радионавигации), отсутствия операций способа-аналога по переориентации линии глиссады на другие взлетно-посадочные полосы, предлагаемый способ применим в том числе, в условиях крайнего Севера, на необорудованных территориях.Due to the relatively small set of ground equipment required for the implementation (in comparison with analog methods and especially the prototype method in the satellite global radio navigation version), the absence of analog method operations for reorienting the glide path line to other runways, the proposed method is applicable, among other things. , in the conditions of the Far North, in unequipped territories.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778179C1 true RU2778179C1 (en) | 2022-08-15 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2030755C1 (en) * | 1989-01-05 | 1995-03-10 | Российский институт радионавигации и времени | Radio-navigation system |
RU2386176C2 (en) * | 2008-03-24 | 2010-04-10 | Виктор Павлович Пасюк | Aircraft landing system |
RU2489325C2 (en) * | 2011-08-30 | 2013-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение "Лианозовский Электромеханический Завод" (Оао Нпо "Лэмз") | Aircraft landing multistage system |
RU2510518C1 (en) * | 2012-08-17 | 2014-03-27 | Закрытое акционерное общество "ВНИИРА-Навигатор" | Compound method for aircraft navigation |
US8886373B2 (en) * | 2009-04-03 | 2014-11-11 | Thales | System and method for assisting in the decking of an aircraft |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2030755C1 (en) * | 1989-01-05 | 1995-03-10 | Российский институт радионавигации и времени | Radio-navigation system |
RU2386176C2 (en) * | 2008-03-24 | 2010-04-10 | Виктор Павлович Пасюк | Aircraft landing system |
US8886373B2 (en) * | 2009-04-03 | 2014-11-11 | Thales | System and method for assisting in the decking of an aircraft |
RU2489325C2 (en) * | 2011-08-30 | 2013-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение "Лианозовский Электромеханический Завод" (Оао Нпо "Лэмз") | Aircraft landing multistage system |
RU2510518C1 (en) * | 2012-08-17 | 2014-03-27 | Закрытое акционерное общество "ВНИИРА-Навигатор" | Compound method for aircraft navigation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5450329A (en) | Vehicle location method and system | |
CA2596063C (en) | Precision approach guidance system and associated method | |
EP0059755B1 (en) | Satellite-based vehicle position determining system | |
US4910526A (en) | Airborne surveillance method and system | |
US5075694A (en) | Airborne surveillance method and system | |
US6219594B1 (en) | Landing area obstacle detection radar system | |
US6865477B2 (en) | High resolution autonomous precision positioning system | |
US5696514A (en) | Location and velocity measurement system using atomic clocks in moving objects and receivers | |
US4866450A (en) | Advanced instrument landing system | |
US4613867A (en) | Passive ranging of an airborne emitter by a single non-maneuvering or stationary sensor | |
Skrypnik | Radio Navigation Systems for Airports and Airways | |
US7054739B2 (en) | Radio navigation system | |
RU2558699C1 (en) | Complex method of aircraft navigation | |
RU2515469C1 (en) | Method of aircraft navigation | |
AU600740B2 (en) | Advanced instrument landing system | |
RU2778179C1 (en) | Method for short-range aviation navigation | |
US20180231632A1 (en) | Multi-receiver geolocation using differential gps | |
RU2386176C2 (en) | Aircraft landing system | |
RU2680969C1 (en) | Method of aircraft navigation | |
US11105930B1 (en) | Self contained satellite-navigation-based method and micro system for real-time relative-position determination | |
Abyshev | METHODS FOR LOCATING UAVs AND RADIO CONTROL SYSTEM DEVICES. | |
RU2108613C1 (en) | Radionavigation system for controlling flight and landing of flying vehicle "bagis-sm" | |
Džunda et al. | Influence of mutual position of communication network users on accuracy of positioning by telemetry method | |
RU2792013C1 (en) | Method of multi-position short-range radio navigation | |
RU2776077C1 (en) | Method for determining the location and flight velocity of an aircraft |