Orlaivio tūpimo sistemų, pagrįstų palydovinių sistemų panaudojimu, analizė ir tyrimas

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

ANTANO GUSTAIČIO AVIACIJOS INSTITUTAS

AVIACIJOS PRIETAISŲ KATEDRA

Orlaivio tūpimo sistemų, pagrįstų palydovinių sistemų panaudojimu, analizė ir tyrimas

Baigiamasis magistro darbas

Elektros ir elektronikos inžinerija

Turinys

Paveikslėlių sąrašas

Lentelių sąrašas

1. Įvadas

Civilinės aviacijos vystymas atskleidžia naujesnes ir platesnes jos pritaikymo galimybes. Šiuolaikiniai lėktuvai ir sraigtasparniai vykdo skrydžius bet kuriuo metų ir paros laiku, skirtingomis meteorologinėmis, klimatinėmis bei geografinėmis sąlygomis. Orlaivio valdymui reikalingos specialios žinios ir techninės priemonės, kurias nagrinėja oro navigacija.

Oro navigacija- tai taikomasis mokslas apie tikslų, patikimą ir saugų orlaivio pilotavimą iš vieno Žemės paviršiaus taško į kitą, pagal nustatytą trajektoriją. Toks orlaivio valdymas vykdomas trimatėje erdvėje. Bendruoju atveju, orlaivis skrydžio metu turi pasiekti visus maršruto punktus ne tik nustatyta kryptimi, bet ir nustatytame aukštyje. Todėl įgulai nurodomas ne tik maršrutas, bet ir skrydžio aukštis. Skrydžio trajektorijos sąvoka oro navigacijoje suprantama kaip linija, kurią braižo orlaivio masių centras. Skrydžio trajektorija paprastai nustatoma ne tik erdvėje, bet ir laiko atžvilgiu, tai reikalauja, kad maršruto punktai būtų pasiekiami nustatytu laiku pagal tvarkaraštį.

Skrydis laikomas sėkmingu tik tada, kai orlaivis saugiai nusileidžia ant kilimo-tūpimo tako (KTT). Nors didžioji dauguma orlaivių tūpimų atliekama vizualiai, ne retai pasitaiko situacijų, kai dėl prasto matomumo orlaivio tupdymas neįmanomas be elektroninių priemonių įsikišimo. Savo baigiamajame darbe „Orlaivio tūpimo sistemų, pagrįstų palydovinių sistemų panaudojimu, analizė ir tyrimas“ apžvelgiau nuo pat aviacijos istorijos pradžios egzistavusias ir šiomis dienomis egzistuojančias orlaivių tupdymo sistemas.

Spartus technikos vystymasis lėmė ir tupdymo sistemų evoliuciją. Federalinė Aviacijos Administracija jau 2000 metais pradėjo ieškoti naujų sistemų galėsiančių pakeisti egzistuojančias instrumentines tupdymo sistemas (ILS).

Vienas iš svarbiausių praėjusio dešimtmečio technologinių laimėjimų yra globaliosios pozicijos nustatymo sistemos diegimo pabaigimas. Šis žingsnis turėjo svarbią reikšmę visai aviacijos pramonei, nes naujosios GPS technologijos diktuoja ir ateities orlaivių valdymo bei aptarnavimo ypatybes. 1994 metais Jungtinių Amerikos Valstijų Gynybos ministerija patvirtino GPS žvaigždyno sudėtį iš 24 funkcionuojančių ir 8 atsarginių palydovų. Naujoji sistema užtikrino aprūpinimą trimačiais navigaciniais duomenimis bet kuriame pasaulio taške ir bet kuriuo paros metu.

Technologija nebuvo nauja, bet iškilo daug naujų sistemos pritaikymo sričių. Nors neabejojama, kad aviacijos pramonei reikia skirti pačias pažangiausias idėjas ir technologijas, tokias kaip naujai atsiradusi GPS, bet laikui bėgant palydovinės padėties nustatymo ir navigacijos tapo daugumos žmonių kasdienio naudojimo įrankiu. Sparčiai vystantis technologijoms ir didėjant masiniam jų panaudojamumui, akivaizdu, kad kaina nuo to tik krito. Didėjant GPS imtuvų panaudojimo civiliniame gyvenime paklausai, iškilo natūrali baimė, kad JAV Gynybos ministerija gali bet kada savavališkai šią sistemą išjungti. Taigi pasauliniu mastu naudojamos technologijos veikimo garantas yra vienos valstybės karinės institucijos rankose. Tai nėra gera žinia civilinei aviacijai.

GPS teikiamų paslaugų didelė, nesusijusių su aviacija vartotojų, paklausa taip pat padėjo pasiekti, kad Federalinė Aviacijos Administracija (FAA) neatmes galimybių GPS sistemą pritaikyti ateities tupdymo sistemoms, pakeisiančioms egzistuojančias instrumentines tupdymo iistemas (ILS). Drąsus ir agresyvus FAA sudarytas ateities veiksmų planas (1994 metais) numatė laiko datas, kai palydovinės sistemos visiškai pakeis egzistuojančias navigacines sistemas. Plane numatyta, kad NDB ir VOR švyturių bus atsisakyta jau 2005 metais. Kaip matome, planai buvo per daug optimistiniai. Tuose pačiuose dokumentuose paminėta ir ILS sistemos funkcionavimo pabaiga. Tai turėtų įvykti tarp 2010 ir 2015 metų.

Egzistuojančiomis pavienėmis palydovinėmis sistemomis – amerikiečių GPS, Rusų GLONASS, Europos GALILEO (pradės veikti 2008 metais), kol kas negalima remtis kaip patikimomis padėties nustatymo orlaiviui tupiant sistemomis. Dėl jonosferos reiškinių, oro uosto geografinės padėties ir kitų priežasčių padėties koordinatės gaunamos su nemaža paklaida. Juolab, kol kas iki galo neišspręstas nuolatinio kokybiško ryšio su reikiamu palydovų skaičiumi klausimas. Visa tai lemia būtinybę ieškoti sprendimo jungiant kelias, iš dalies atliekančias tas pačias funkcijas, sistemas. Amerikiečiai savos padėties nustatymo sistemos GPS daromą nemenką paklaidą sumažino iki tūpimo reikalavimus atitinkančių dydžių pasitelkdami papildomus atraminius dažnius. Tačiau tokios sistemos veikia tik JAV teritorijoje. Sukurta GPS ir GLONASS suderinanti padėties nustatymo sistema teikia daugiau vilčių jas pritaikyti tupdymo sistemose. Tokie sprendimai užtikrina pastovų reikiamą palydovų skaičiaus matymą.

Tačiau, kartais, mažos paklaidos su aviacija nesusijusiam vartotojui gali reikšti katastrofiškai dideles orlaivio įgulai. Pavyzdžiui, orlaivio įgulai, tupdančiai orlaivį esant labai prastam matomumui, reikia žinoti savo padėtį erdvėje keliolikos centimetrų tikslumu. Paprasta skirtuminė GPS (DGPS) to užtikrinti negali. Oro uosto prieigose pastatyti keli GPS signalus siunčiantys antžeminiai siųstuvai (pseudolitai) suteikia pakankamo tikslumo padėties nustatymo rezultatus, reikalingus saugiam orlaivio nutūpimui.

Šio darbo tikslas ir buvo pamėginti nustatyti palydovinių sistemų panaudojimo galimybes orlaivių tūpimui Vilniaus tarptautiniame oro uoste (VTOU). Remiantis žinomais skaičiavimo algoritmais pamėginti nustatyti GPS sistemos tikslumą VTOU zonoje ir kokią įtaką padėties nustatymo tikslumui padarytų vienas ar keli gretimais įrengti antžeminiai pseudolitai (angl. „Pseudo satellite“- antžeminis palydovas).

2. Tūpimo sistemų apžvalga

Paskutinis ir svarbiausias skrydžio etapas yra tupdymas. Saugumo atžvilgiu tai yra pats sudėtingiausias manevras. Sudėtingumas atsiranda dėl to, kad orlaivis pilotuojamas, kai greitis ir aukštis keičiasi labai greitai, be to, yra ypatingi reikalavimai orlaivio manevrams. Aviacijos istorijos pradžioje pilotai leisdavosi bet kokiuose tam tinkamuose laukuose bet kokia, vėjo atžvilgiu palankia, kryptimi. Tačiau, vystantis aviacijai, lėktuvai pradėjo kilt ir leistis specialiai tam pritaikytuose oro uostuose su dirbtinės dangos KTT. Čia kilimas ir tūpimas turi vykti griežtai apibrėžtomis kryptimis. Vis sparčiau vystantis aviacijai, atsirado būtinybė skraidyti net ir esant nepalankioms meteorologinėmis sąlygomis ir prastam matomumui. Pilotams vis sunkiau ir sunkiau buvo patupdyti orlaivį be specialių priemonių pagalbos. Pradėjo vystytis orlaivių nusileidimo pagalbinės priemonės.

Orlaivio tupdymas aerodrome vykdomas ant kilimo tūpimo tako (KTT), turinčio dvi tupdymo kryptis, kurios parenkamos atsižvelgiant į vėjo kryptį ir stiprumą. Dažniausiai orlaivį tupdo pučiant priešiniam, arba priešiniam šoniniam vėjui. Be to, kiekvienam orlaivio tipui šoninė vėjo dedamoji neturi viršyti maksimalios reikšmės, nurodytos jo techninėse charakteristikose.

Kryptis, atitinkanti darbo KTT krypčiai, vadinama tupdymo kryptimi. Pasiruošimas tupdymui vykdomas pagal nustatytą schemą (kiekvienam aerodromui yra savo schema). Paskutinė šios schemos dalis vadinama prieštupdymo tiese. Ji nustatoma tokio ilgio, kad suteiktų saugų tupdymą. Tūpimo sistemų antžeminės ir bortinės priemonės suteikia orlaivio pilotui (pilotams) informaciją apie jo padėtį KTT atžvilgiu. Kiekvienas aerodromas turi bent du ženklinamuosius švyturius AŽRŠ (artimą ženklinamąjį radijo švyturį) ir TRŠ (tolimą ženklinamąjį radijo švyturį), o taip pat nekryptines radijo stotis ir šviesos sistemas, kurių šviesos palengvina orlaivio tupdymą, vairavimą takeliais ir pakilimą.

2.1. Pirmosios tupdymo sistemos

Viena pirmųjų orlaivio tupdymo sistemų buvo išrasta 1940 metais. Tai buvo tūptinės prototipas panaudojant dvi eiles žiburių. Žiburių pagalba pilotas buvo atvedamas iki kilimo-tūpimo tako slenksčio. Pagalbinės radijo priemonės taip pat dalyvavo kuriant tupdymo sistemas. Viena pirmųjų tokių sistemų buvo pastatyta 1929 metais. Tai buvo keturių krypčių radijo spindulys, kai pilotas buvo vedamas pagal Morzės kodo signalų stiprumą. Kita tupdymo sistema išbandyta eksperimentiškai buvo paremta žemo dažnio radijo bangų spinduliavimu. Tokie radijo spinduliai buvo platėjančiai nukreipti nuo kilimo-tūpimo tako (panašiai į raidę V).Taigi, esant dideliam atstumui nuo tako slenksčio šie signalai būdavo atskirti vienas nuo kito, tad pilotui tereikdavo skristi tarp tų dviejų signalų. Tačiau artėjant prie tako slenksčio abu signalai susimaišydavo ir būdavo labai sunku atskirti kuris iš jų stipresnis, o tuo pačiu ir nustatyti ar teisingu kursu skrendama.[8]

1 pav. Viena pirmųjų orlaivio tupdymo sistemų. Buvo naudojami du šviesos švyturiai: vienas besisukantis, leidžiantis pilotui surasti KTT, kitas stacionarus, rodantis tūpimo kryptį.

2.2. Tupdymo pagal prietaisus sistema (ILS)

Didėjant skrydžių intensyvumui, orlaivį vis dažniau tenka tupdyti esant sudėtingoms meteorologinėms sąlygoms. Akivaizdu, kad aerodromai turi būti aprūpinti pagalbinėmis tūpimo priemonėmis. Orlaiviuose yra speciali aparatūra (ILS – instrument landing system) leidžianti nutūpti automatiniame ir pusiau automatiniame režime. Toks tūpimo tipas reikalauja, kad pilotas sugebėtų atlikti pasiruošimą tupdyti ir nutūpti pagal prietaisus. Tam, kad palaikyti profesionalaus pasiruošimo lygį, pilotai nuolat treniruojasi specialiuose treniruokliuose, o tai pat realiose sudėtingose meteorologinėse sąlygose.[1][4]

Tupdymo pagal prietaisus sistemos įrenginiai turi būti labai tikslūs ir patikimi, kad saugiai atvestų orlaivį iki kilimo-tūpimo tako, kai pilotas orientuojasi erdvėje tik prietaisų pagalba. ILS sistema susideda iš :

Krypties radijo vedlys

Nuolydžio radijo vedlys

Markeriniai radijo švyturiai (gali būti pakeisti nekryptiniais radijo švyturiais (NDB)

Artėjimo šviesos sistemos

ILS sutartinai klasifikuojama į skirtingas kategorijas priklausomai nuo antžeminės įrangos galimybių.

2 pav. ILS skirstymas į kategorijas

ILS valdo orlaivio horizontalų ir vertikalų judėjimą, tam, kad būtų pasiektas kiek galima tikslesnis orlaivio priartėjimas prie kilimo-tūpimo tako užduodant sklendimo polinkį. Tik tuomet, kai visi ILS antžeminiai įrenginiai funkcionuoja, pilotas gali tiksliai priartėti prie kilimo-tūpimo tako.

Svarbiausias ILS komponentas yra kursinis radijo vedlys, kuris yra atsakingas už horizontalaus judėjimo valdymą. Kursinis radijo vedlys – tai labai aukštų dažnių radijo siųstuvas ir antenų sistema, naudojantys tą patį dažnių diapazoną, kaip ir visakryptis radijo švyturys (VOR), dirbantis 108.10 MHz - 111.95 MHz dažnių diapazone. Kursinio radijo vedlio siųstuvo spinduliuojamas signalas susideda iš dviejų vėduoklės formos signalų, persidengiančių tarpusavyje ties kilimo-tūpimo tako išilgine linija. Dešiniosios pusės spinduliuojamų bangų amplitudė moduliuota 150 Hz signalu, o kairioji atitinkamai 90 Hz signalu.

3 pav. Kursinio radijo vedlio formuojamų signalų vaizdas.

Navigacinio spindulio plotis gali kisti nuo 3° iki 6°, priimta laikyti, kad 5° yra normalus režimas. Sistema suderinta taip. Kad ties kilimo-tūpimo tako slenksčiu krypties radijo vedlio formuojamas signalas būtų apie 700 pėdų pločio. Spindulio plotis tolstant nuo tako slenksčio didėja ir esant 10 jūrmylių atstumui, spindulio plotis siekia vieną mylią.[7][6]

4 pav. ILS sistemos darbo principas.

Nuolydžio radijo vedlys atsakingas už vertikalaus judėjimo valdymą. Nuolydžio radijo vedlys – tai labai aukštų dažnių siųstuvo ir antenų sistema dirbantys 329.30 MHz - 335.00 MHz dažnių diapazone. Siųstuvas ir antenų sistema išdėstyti maždaug nuo 750 iki 1,250 pėdų atstumu nuo kilimo-tūpimo tako slenksčio ir nuo 400 iki 600 pėdų atstumu nuo tako ašinės linijos. Kaip ir kursinio radijo vedlio taip ir nuolydžio radijo vedlio siųstuvo spinduliuojamas signalas susideda iš dviejų persidengiančių dedamųjų . Skirtingai nuo kursinio radijo vedlio, pastarosios dedamosios išdėstytos ne šalia viena kitos, bet viena virš kitos.

5 pav. Nuolydžio radijo vedlio formuojamų signalų vaizdas.

Lapelių persidengimo storis būna nuo 1.4s iki 0.7s. Tačiau be pagrindinės nuolydžio linijos gali būti generuojamos ir parazitines nuolydžio linijos. Pirmoji melaginga linija bus maždaug ties 6s, sekanti ties 9 s. Abi šios melagingos nuolydžio linijos bus orientuotos ta pačia kryptimi kaip ir pagrindinė linija. Žemiau pagrindinės nuolydžio linijos melagingi signalai negeneruojami. Taigi, pilotas turi būti labai atidus, kad prastomis meteorologinėmis sąlygomis nesupainiotų nuolydžio linijų.[1][9]

Apibendrinant galima padaryti išvadą, kad ILS sistema turi nemažai trūkumų. Pagrindiniai trūkumai būtų šie :

Aptarnaujamas tik vienas kilimo tūpimo takas

Žemi dažniai

Didelis antenų skaičius

Neišvengiami atspindžiai nuo žemės

Per mažai darbo kanalų

6 pav. Borto prietaisų parodymai įvairiuose skrydžio režimuose.

2.3. Mikrobanginė tupdymo sistema (MLS)

Dėl didelės ILS montavimo ir įrangos kainos, bei dėl didelio veikimo galimybių ribotumo apie 1980 metus buvo pristatyta nauja orlaivių tupdymo sistema – MLS (Microwave landing system). Ši sistema leidžia pilotui pačiam pasirinkti artėjimo ir leidimosi kelią labiausiai tinkantį jo pilotuojamam orlaiviui. Taigi, MLS leidžia pilotui leistis prie kilimo-tūpimo tako artėjant skirtingais kursais, kas nebuvo įmanoma ILS sistemoje. Galimybė priartėti prie tako skirtingais kursais leidžia sumažinti triukšmą virš gyvenamųjų rajonų ir mažų orlaivių pilotams išvengti pavojingų oro sūkurių artėjant prie tako paskui didelį orlaivį.

Europoje MLS sistema buvo pritaikyta, kaip pamaina ILS sistemai. Tačiau JAV MLS vystymą sustabdė dar 1994 metais, kai tik prasidėjo pirmieji eksperimentai su nauja padėties nustatymo sistema GPS.[1][5]

Taigi, MLS sistema atlieka šias pagrindines funkcijas :

Artėjimo azimutas

Atgalinis azimutas

Artėjimo aukštis

Nuotolis

Duomenų perdavimas

Kitaip negu DME įrangoje, MLS sistemoje signalai perduodami tuo pačiu dažniu paskirstant juos laiko ašyje. Galima naudotis dviem šimtais darbo kanalų, esančių 5031 ir 5090.6 MHz dažnių ruože. Siunčiant siaurą spindulių pluoštą, kuris nuolat judėdamas apima visą stebėjimo zoną, ore esančio orlaivio imtuvo pagalba nustatomas azimutas ir aukštis. Tai apskaičiuojama sužinojus laiko intervalą tarp spindulio atsiradimo konkrečiame sektoriuje. Pilotui MLS sistemos pateikiama informacija bus labai panaši į ILS sistemos teikiamus duomenis. Duomenų indikacijai naudojami standartiniai kurso deviacijos indikatoriai (CDI) arba daugiafunkciniai monitoriai.

Ankščiau minėtoji ILS sistema turi apribojimų, kurie neleidžia arba smarkiai sumažina sistemos panaudojamumą daugelyje situacijų. MLS ne tik panaikino šiuos trūkumus, bet taip pat pateikė ir daugybę privalumų lyginant su ILS :

Panaikinta ILS/FM transliacijos interferencijos problema

Esant blogoms oro sąlygoms sistema aprūpina reikiama informacija orlaivius esančius iki ±60 laipsnių nuo kilimo-tūpimo tako ašinės linijos, nuo 0.9 iki 15 laipsnių vertikalioje linijoje ir iki 20 jūrmylių atstumu.

Galimybė tiksliai parodyti artėjimo kursą į mažo ploto nusileidimo aikšteles, tokias kaip ant pastatų stogų įrengtas sraigtasparnių nusileidimo aikšteles.

Galimybė teikti platų prižemėjimo kampų diapazoną, kad būtų galima aptarnauti STOL ir VTOL tipų orlaivius.

Abiejų rėžimų (kilimas ir tūpimas) bei judėjimo kreive suderinimas.

Galimybė naudoti 200 kanalų – penkis kartus daugiau negu ILS sistemoje.

Pagerinta skrydžių valdymo kokybė, nereikalaujant didelio skrydžio planų pakeitimo.

Pasirūpinta nepataikiusių į kilimo-tūpimo taką orlaivių vedimui pasitelkiant atgalinį spindulį.

Panaikintas sistemos pritaikymo galimybių apribojimas dėl sniego.

Mažesni įrangos paruošimo, remonto ir eksploatacijos įkainiai.

Artėjimo azimuto antena formuojamas signalas užima po 40s į abi puses nuo KTT išilginės ašies. Signalo priėmimas vykdomas 20 jūrmylių atstumu nuo KTT slenksčio ir iki 20,000 pėdų aukščio. Pati antena paprastai stovi apie 1000 pėdų nuo KTT slenksčio.

7 pav. MLS sistemos formuojamų signalų vaizdas.

MLS sistemos antžeminė stotis generuoja ir azimuto nustatymo, ir duomenų signalus (žinutes). Kiekviena išsiųsta funkcija prasideda nuo skirtingai užkoduotos dvejetainės preambulės, kuri nustato nešančiąją fazę orlaivio imtuvui, kad dekoduotų preambulės duomenis. Signalai yra spinduliuojami mažo stiprinimo stacionariomis antenomis ties azimuto (Az) ir glisados (EI) stotimis.

Reikalaujamas proporcingas kampų dekodavimas per visą skanavimo plotą yra pasiekiamas naudojant siaurą antenos kryptingumo diagramą. Azimuto antenai kryptingumo diagramos plotis gali būti pasirenkamas. Visa tai daroma dėl to, kad kai orlaivis yra arti pratęstos KTT ašinės linijos nepageidaujami atspindžiai nuo didelių angarų ar kitų objektų atkeliauja iki orlaivio imtuvo skirtingais negu teisingas signalas laiko momentais. Paprastai, glisados antenų kryptinės diagramos plotis parenkamas toks, kad būtų išvengta signalų interferencijos nuo žemės paviršiaus, kai skanuojama mažiausiu reikalaujamu kampu horizonto atžvilgiu. Ankstyvosios karinės MLS su mechaniškai skanuojančia antena naudojo kintantį audio toną , kad užšifruoti skirtuminį skanuojančio spindulio kampą. Tam tikru audio dažniu moduliuoto nešančiojo radijo signalo amplitudė, kuri nešė informacija apie momentinį skirtuminį kampą, buvo detektuojama kai skanuojantis signalas atsispindėdavo nuo orlaivio MLS antenos. FAA priėmė nemoduliuoto spindulio laiko intervalų tarp nuoseklių kanalų matavimą kaip veiksmingą kampų užkodavimo metodą. Tokioje sistemoje kampo kodavimas yra laiko linijinė funkcija :

(1)

kur Θ – azimutas arba kilimo vedimo kampas laipsniais, V – skanavimo greitis (paprastai tai būna 20 laipsnių/ms), T_o – laiko skirtumas milisekundėmis tarp vertikalios arba horizontalios centrinės linijos plokštumų ir fazių centro, ir t - laiko skirtumas milisekundėmis tarp centruotų artėjančio ir tolstančio nuo orlaivio kanalų. Pilnas informaciją apie azimutą perduodančio signalo vaizdas pavaizduotas 7 paveiksle.

8 pav. MLS signalas.

Didelis skanavimo greitis ( 20000 laipsnių per sekundę) suteikia apie 40 kampinės padėties duomenų pavyzdžių, o tai yra net dešimt kartų daugiau negu būtų reikalinga stebėti orlaivio judėjimą. Filtruojant šiuos aukšto dažnio signalus imtuvo išėjime galima gauti signalus su žymiai sumažėjusiomis klaidingo kampų nustatymo tikimybėmis.

Elektroniniu būdu skanuojama antena - tai spinduliuojančių elementų rinkinys su nepastovaus vėlinimo maitinimo tinklu (fazinis masyvas). Šis masyvas verčia suktis anteną su fazės postūmiu, tuo pačiu kiekvieną spinduliuojantį antenos elementą aprūpindamas radijo signalu pagal iš anksto nustatytą seką saugojamą kompiuterio atmintyje ir nuskaitomą reikiamais laiko momentais.

9 pav. MLS antena.

10 pav. Fazinės anteninės gardelės pavyzdys.

3. TSO-C129 techninio standarto reikalavimai tūpimo pagal prietaisus GPS avionikos įrangai

Palyginus visai nedaug praėjo laiko nuo tada, kai FAA labai paskubomis pritarė procedūroms pagal kurias numatomas neprecizinis instrumentinis artėjimas tūpti pagal GPS. Techninių standartų nurodymai TSO-C129 nustato tolimesnius pagrindinius skryžių pagal prietaisus avionikos reikalavimus. Nors iš avionikos gamintojų buvo reikalaujama įdiegti kai kurias papildomas funkcijas, tačiau piloto ir avionikos sąsaja dar nebuvo aiškiai apibrėžta.

TSO-C129 standartas nustato reikalavimus orlaivio borto įrangai naudojančiai GPS signalus artėjimo tūpti ir tūpimo fazėse. [14]

3.1. Pritaikomumas

Minimalūs darbo standartai. Šis techninis standartas nurodo minimalius veikimo standartus, kuriuos turi atitikti orlaivio papildoma navigacinė įranga naudojanti GPS signalus. Visa tokia įranga skirstoma į klases :

A klasė. Įranga, kurioje sujungtos GPS jutiklių ir navigacinės sistemos galimybės. Tokia įranga turi vienytis su imtuvo automatine integralumo kontrole (RAIM).

B klasė. Įranga, kuri susideda iš GPS jutiklių sistemos teikiančios duomenis integruotosioms navigacinėms sistemoms ( tai yra skrydžio kontrolės sistemai (FMS)). Visa įranga susidedanti iš GPS jutiklių sistemos turi atitikti šio techninio standarto klasės B reikalavimus.

C klasė. Įranga, kuri susideda iš GPS jutiklių sistemos teikiančios duomenis integruotosioms navigacinėms sistemoms (skrydžio kontrolės sistema ir t.t.), kurios savo ruožtu aprūpina autopilotą patikslintais valdymo duomenimis tam ,kad sumažintų skrydžio technines paklaidas.

3.2. Reikalavimai A klasės įrangai

Kontrolės naudojimas. Kontrolė turi būti suprojektuota taip, kad kiek galima labiau pagerinti valdymo tinkamumą ir kiek galima labiau sumažinti piloto darbą. Operacijos reikalaujančios didelių piloto atminties resursų turi būti kiek galima labiau minimizuotos.

Kontrolės prieinamumas. Valdymo svirtys kurios paprastai naudojamos tik skrydžio metu turi būti gerai pasiekiamos ir išdėstytos pagal jų funkcijų svarbumą.

Jutiklių sąsajos. Sąsajos su kitų orlaivių įranga turi būti tokia, kad darytų kiek galima mažesnę įtaką kito orlaivio įrangai.

Vaizduoklio ryškumas. Įranga turi būti suprojektuota taip, kad visi įrenginio displėjai ir kontrolės mygtukai būtų matomi ir įskaitomi esant bet kokioms kabinos apšviestumo sąlygoms. Visi įrangos displėjai ir kontrolės mygtukai turi būti išdėstyti pagal jų svarbumą. Tai yra taip, kad svarbiausius iš jų pasiekti būtų lengviausia.

Duomenų atnaujinimo dažnis. Navigacinės informacijos naudojamos displėjuje atnaujinimo dažnis turi būti viena sekundė ar dar greičiau.

Vietovės taško įvedimas. Vietovės taško įvedimui keliami šie reikalavimai :

Įranga sertifikuota pagal A2 klasę turi užtikrinti galimybę rankiniu būdu įvesti ir atvaizduoti vietovės taško koordinates su rezoliucija nemažesne kaip 0,1 minutės tikslumu. Jei įrangoje yra įdiegta galimybė įvesti vietovės taško koordinates kaip atstumą ir kursą nuo kito vietovės taško žymos, tai įvesties rezoliucija turi būti 0,1 jūrmylės arba 1 laipsnis.

Įranga sertifikuota pagal A1 klasę turi užtikrinti galimybę rankiniu būdu įvesti ir atvaizduoti vietovės taško koordinates su rezoliucija nemažesne kaip 0,01 minutės tikslumu. Jei įrangoje yra įdiegta galimybė įvesti vietovės taško koordinates kaip atstumą ir kursą nuo kito vietovės taško žymos, tai įvesties rezoliucija turi būti 0,1 jūrmylės arba 0,1 laipsnio.

Vietovės taško žymos saugojimas. Vietovės taško žymos saugojimui keliami tokie reikalavimai :

Įranga turi aprūpinti tinkamais atnaujinamais navigaciniais duomenimis sudarytais iš esamos orlaivio padėties ilgumos ir platumos duomenų su 0,01 minutės tikslumu. Toks tikslumas turi būti pasiektas tose skrydžio zonose, kur planuojamas skrydis pagal prietaisus (IFR) – tai oro uostai, jų prieigos, VOR, NDB ir t.t.

Įranga sertifikuota pagal A1 klasę turi atitikti šiuos reikalavimus :

a)      Tarp įrangos navigacinių duomenų privalo būti ir duomenys apie visus pažymėtus vietovės taškus ir trasų susikirtimus.

b)      Įranga turi saugoti atmintyje visus pažymetus vietovės taškus, trasų susikirtimus ir/arba navigacines priemones ir atvaizduoti jas tinkamu būdu pasirinktam artėjimo maršrutui.

c)      Vietovės taškas panaudotas kaip galutinė artėjimo tūpti žymė ar nesėkmingo artėjimo taškas neprecizinio artėjimo atveju turėtų būti specialiai identifikuotas, kad būtų įmanoma atlikti tinkamo artėjimo režimo operaciją.

d)      Vartotojas negali pats modifikuoti duomenų susijusių su artėjimo procedūromis.

Įranga turi turėti pakankamą atminties dydį, kad būtų galima duomenis įrašyti, juos saugoti, pažymėti kaip dalį aktyvaus skrydžio plano su minimum 9 atskirais vietovės taškais.

Vietovės taškų koordinatės turi būti užkoduotos kaip navigaciniai duomenys, kad būtų įmanoma identifikuoti jas kaip „skrydis šalia“ ir „skrydis virš“, kaip to reikalauja instrumentinio artėjimo tūpimui procedūros SID arba STAR. Vietovės taškai apibrėžiantys klaidingą artėjimo tašką instrumentinio artėjimo tūpimui procedūrose turi būti užkoduotas kaip „skrydis virš“.

Artėjimo režimo pasirinkimas

Neprecizinio artėjimo įvykdymui, kai artėjimas numatytas skrydžio plane A1 klasės įranga turi garantuoti :

a)      Esant 30 jūrmylių radialiniam atstumui nuo numatyto atvykimui kilimo tūpimo tako, borto įranga nedelsiant turi persijungti terminalo veikimo režimą.

b)      Įranga turi užtikrinti tiek automatinį tiek rankinį artėjimą tūpti. Jei artėjimas numatytas rankiniu būdu, įranga turi įjungti įspėjamąjį signalą esant 30 jūrmylių atstumui nuo atvykimo taško. Po šio perspėjančio signalo visos priemonės bus pajungtos atlikti artėjimą tūpti valdant orlaivio pilotui. Kaip priedas prie šio perspėjančio signalo turi būti atliktas kitas perspėjimas tinkamomis priemonėmis apie būtunybę rankiniu būdu nustatyti barometro slėgį. Jei artėjimas tūpti atliekamas automatiniu režimu įranga turi aktyvuoti įspėjamąjį signalą likus 3 jūrmylėms iki ribos su paskutiniu artėjimo punktu. Automatinis artėjimas tūpti neturėtų būti įjungiamas likus daugiau negu 30 jūrmylių iki paskirties taško. Taip pat turi būti užtikrinta tam tikra artėjimo aktyvavimo indikacija. Kaip priedas prie šio perspėjančio signalo turi būti atliktas kitas perspėjimas tinkamomis priemonėmis apie būtunybę rankiniu būdu nustatyti barometro slėgį.

c)      Likus 3 jūrmylėms iki paskutinio artėjimo punkto įranga automatiškai parodys pranešimą ir pasikeis displėjaus jautrumas. Jei artėjimo tūpti funkcija nebuvo įjungta apie tai bus pakartotinai pranešta (tai liečia tik artėjimą rankiniu būdu).

d)      Likus 2 jūrmylėms iki paskutinio artėjimo punkto ir jei artėjimo tūpti funkcija buvo aktyvuota, įranga automatiškai tikrins, kad palydovų išsidėstymo geometrija būtų tinkama per visą artėjimo tūpti periodą.

Tam, kad visas priemones perjungti į kitą neartėjimo režimą turi pakakti vieno mygtuko paspaudimo.

Gedimo/būklės identifikacija. Įranga privalo indikuoti šiuos duomenis nepriklausomai nuo operatoriaus veiksmų :

Pavojaus vėliavėlė navigaciniame displėjuje :

a)Reikalingos energijos navigacinėms funkcijoms atlikti nebuvimas

b)      Bet kokie įrangos gedimai ar trikdžiai įtakojantys navigacinių funkcijų atlikimą

c)Navigacinių funkcijų praradimas

Papildomi navigaciniai duomenys (tokie kaip atstumas iki vietovės taško,laikas likęs iki vietovės taško, greitis ir t.t.) neturėtų būti rodomi arba turi būti papildomai perspėjama tai atvejais, kai nėra pakankamai informacijos išvardintiems duomenims apskaičiuoti.

Reikalavimai įeinančiam į aukštimatį slėgiui. Jeigu tupdymui skirtas įrenginys naudojantis GPS signalus jungiamas su aukštimačiu, jam keliami tokie reikalavimai :

Įranga kaip sudedamąją dalį turi turėti aprūpinimą automatiniu duomenų apie slėgį tam tikrame aukštyje įvedimu. Aukštis pagal slėgį turi būti lyginamas ir pataisomas remiantis duomenimis gautais iš palydovų. Visi tokie įrenginiai turi būti suprojektuoti taip, kad automatiškai gautų duomenis bent jau apie slėgio pokyčius. Pasirinktinai gamintojai gali suprojektuoti sistemą, kuri automatiškai priiminės duomenis apie slėgį, pakoreguotą taip, kad tiktų borto aukštimačio nustatymui. Skrendant aukščiau nei 18 000 pėdų slėgis turi būti kalibruojamas atsižvelgiant į GPS parodymus. Sukalibruota slėgio vertė turi būti nustatoma taip : iš esančio aukščio slėgio vertės atimamas slėgių skirtumas tarp aukščio slėgio ir apytiksliai GPS pagalba nustatytos vertikalios orlaivio padėties dabartiniu metu. Orlaiviui esant žemiau negu 18 000 pėdų įranga esantį tam tikrame aukštyje slėgį turėtų pakoreguoti naudojant skirtumą tarp WGS-84 elipsoido aukščio ir vidutinio jūros lygio aukščio tam tikrame žemės paviršiaus taške.

Yra naudojami du skirtingi GPS aukščio skaičiavimo sprendimo patikslinimo būdai. Vienas iš jų yra pasinaudoti tam tikro aukščio slėgio duomenimis patikslintais GPS duomenimis. Kitas metodas yra aukščio duomenų pakoregavimas naudojant skirtumą tarp WGS-84 elipsoido aukščio ir vidutinio jūros lygio aukščio tam tikrame žemės paviršiaus taške.

3.3. Reikalavimai B klasės įrangai

GPS jutikliai sertifikuoti pagal B klasės reikalavimus turi atitikti visus žemiau išvardintus reikalavimus.

Kontrolės naudojimas. Kontrolė turi būti suprojektuota taip, kad kiek galima labiau pagerinti valdymo tinkamumą ir kiek galima labiau sumažinti piloto darbą. Operacijos reikalaujančios didelių piloto atminties resursų turi būti kiek galima labiau minimizuotos.

Jutiklių sąsajos. Sąsajos su kitų orlaivių įranga turi būti tokia, kad darytų kiek galima mažesnę įtaką kito orlaivio įrangai.

Duomenų atnaujinimo dažnis. Navigacinės informacijos naudojamos displėjuje atnaujinimo dažnis turi būti viena sekundė ar dar greičiau.

RAIM įgyvendinimas. Bet kuris algoritmas patikrinantis GPS matavimo pozicijos integralumą ir pakoreguojantis barometrinių aukščio matavimo prietaisų parodymus vertinamas kaip RAIM algoritmas. Algoritmas naudojantis papildomą informaciją (kitų jutiklių informaciją) tam, kad patikrintų GPS matavimų integralumą taip pat priimtinas kaip RAIM ekvivalentas.

RAIM funkcija turi būti prieinama visame pasaulyje, mažiausiai 95 % atvejų. RAIM ekvivalentų prieinamumas taip pat turi siekti bent 95 %.

Įranga turi pati automatiškai pasirinkti RAIM integralumą priklausomai nuo skrydžio fazės.

GPS įranga privalo pati savarankiškai detektuoti pseudo atstumo žingsnių reikšmių klaidas didesnes negu 1000 metrų, taip pat reikšmes, kurios gautos po ryšio su palydomu praradimo ilgesniam nei 10 sekundžių periodui. Pseudo atstumo žingsnis apibrėžiamas kaip staigus išmatuoto atstumo iki palydovo pokytis. Jeigu pseudo atstumo žingsnis užfiksuotas palydovui, kurio signalai neturėtų būti naudojami navigaciniame algoritme, jo integralumas gali būti patikrintas RAIM pagalba. Įrangos gamintojams paliekama laisvė patiems pasirinkti tinkamą metodą apskaičiuoti pseudo atstumą ar jo žingsnį. Tačiau, gamintojai privalo turėti omeny palydovų judėjimo greičius ir orlaivio dinamikos ypatumus.

3.4. Reikalavimai C klasės įrangai

Integruotosios navigacinės sistemos, kurios naudojasi GPS signalų teikiama informacija, turi tenkinti šiuos reikalavimus : GPS jutikliai sertifikuoti pagal C klasės reikalavimus ir veikiantys kartu su integruotomis navigacinėmis sistemomis turi atitikti visus žemiau išvardintus reikalavimus.

Kontrolės naudojimas. Kontrolė turi būti suprojektuota taip, kad kiek galima labiau pagerinti valdymo tinkamumą ir kiek galima labiau sumažinti piloto darbą. Operacijos reikalaujančios didelių piloto atminties resursų turi būti kiek galima labiau minimizuotos.

Kontrolės prieinamumas. Valdymo svirtys kurios paprastai naudojamos tik skrydžio metu turi būti gerai pasiekiamos ir išdėstytos pagal jų funkcijų svarbumą.

Jutiklių sąsajos. Sąsajos su kitų orlaivių įranga turi būti tokia, kad darytų kiek galima mažesnę įtaką kito orlaivio įrangai.

Duomenų atnaujinimo dažnis. Navigacinės informacijos naudojamos displėjuje atnaujinimo dažnis turi būti viena sekundė ar dar greičiau.

RAIM įgyvendinimas. Bet kuris algoritmas patikrinantis GPS matavimo pozicijos integralumą ir pakoreguojantis barometrinių aukščio matavimo prietaisų parodymus vertinamas kaip RAIM algoritmas. Algoritmas naudojantis papildomą informaciją (kitų jutiklių informaciją) tam, kad patikrintų GPS matavimų integralumą taip pat priimtinas kaip RAIM ekvivalentas.

RAIM funkcija turi būti prieinama visame pasaulyje, mažiausiai 95 % atvejų. RAIM ekvivalentų prieinamumas taip pat turi siekti bent 95 %.

Įranga turi pati automatiškai pasirinkti RAIM integralumą priklausomai nuo skrydžio fazės.

GPS įranga privalo pati savarankiškai detektuoti pseudo atstumo žingsnių reikšmių klaidas didesnes negu 1000 metrų, taip pat reikšmes, kurios gautos po ryšio su palydomu praradimo ilgesniam nei 10 sekundžių periodui. Pseudo atstumo žingsnis apibrėžiamas kaip staigus išmatuoto atstumo iki palydovo pokytis. Jeigu pseudo atstumo žingsnis užfiksuotas palydovui, kurio signalai neturėtų būti naudojami navigaciniame algoritme, jo integralumas gali būti patikrintas RAIM pagalba. Įrangos gamintojams paliekama laisvė patiems pasirinkti tinkamą metodą apskaičiuoti pseudo atstumą ar jo žingsnį. Tačiau, gamintojai privalo turėti omeny palydovų judėjimo greičius ir orlaivio dinamikos ypatumus.

Įranga sertifikuota pagal C klasės reikalavimus privalo atlikti RAIM funkcijų prognozę. Ši funkcija privalo automatiškai atlikinėti RAIM pasiekiamumo prognozę kai pasiekiamas paskutinis artėjimo tūpti taškas. Esant reikalui ši funkcija turi aprūpinti pilotą duomenimis apie tai, ar pasirinktame skrydžio etape bus pasiekiama RAIM funkcija.

Palydovų pasirinkimas. Visi parametrai naudojami palydovų žvaigždyno pasirinkimui privalo būti atnaujinami kas 5 minutes kiekvienam palydovui, kurio duomenys naudojami pozicijos nustatymo algoritme. Įranga privalo atmesti palydovo signalą, jei

a)      Būklės žodis praneša, kad palydovas techniškai netvarkingas

b)      Navigaciniai duomenys susideda tik iš vienodų simbolių

Reikalavimai antenai. Gamintojas privalo garantuoti, kad antena ir visi jei priskiriami elektroniniai įrenginiai yra tinkamai patikrinti atitinka keliamus reikalavimus. Antenos darbo reikalavimuose privalo būti nustatytas minimalus ir maksimalus antenos stiprinimas. Dažnio stabilumas, maitinimo reikalavimai, triukšmų diagrama ir kt. Gamintojas privalo pateikti duomenis apie leistiną maksimalų orlaivio judėjimo greitį, kuriam esant antena dar gali funkcionuoti. Gamintojas taip pat privalo nurodyti su kokia GPS įranga jų gaminama antena yra suderinama. Visi anksčiau išdėstyti reikalavimai turi būti nurodyti gamintojo instrukcijoje pridedamoje prie antenos.

Žymėjimas. Specialiai pažymėtos turi būti visos svarbiausios įrangos detalės. Kiekvienas atskiras įrangos komponentas turi turėti specialią žymę, kurioje būtų nurodoma bent jau įrangos gamintojas ir TSO standarto numeris. [14]

4. Palydovinės tupdymo sistemos

Netgi dar prieš Jungtinėms Amerikos Valstijoms 1993 metais paskelbiant apie GPS veikimą buvo stengiamasi šią sistemą pritaikyti preciziniam orlaivių artėjimui prie KTT ir leidimuisi. Vėliau prie šių mėginimų prisijungė ir rusiška sistema GLONASS.[1]

Bazinis GPS be diferencinių pataisų negalėjo pasitarnauti preciziniam artėjimui prie tako ir leidimuisi dėl šių priežasčių :

Tikslumas. Nominali vertikali paklaida siekia 150 metrų. Taigi, palyginus su reikalaujamais ±8 metrais pirmai ILS kategorijai, ±4 metrai antrai kategorijai ir ±1,3 metro trečiai kategorijai gauname švelniai tariant nelabai patenkinamus rezultatus.

Vientisumas. GPS konstrukcija stokoja kontrolės sistemos, kuri galėtų pasirūpinti savalaikiais įspėjimais apie valdymo duomenų klaidas per dešimt sekundžių pirmai kategorijai, arba per mažiau negu dvi sekundes trečiai kategorijai.

Prieinamumas. Matomų palydovų skaičius tam tikrais laiko momentais ne visada gali būti vienodas.

Anksčiau paminėti apribojimai nepreciziniam ir preciziniam pirmos kategorijos artėjimui prie tako buvo sumažinti FAA pagalba pasitelkiant WAAS (Wide Area Augmentation System) technologiją, kuri buvo pradėta vystyti dar 1996 metais. WAAS gali būti statomos prie kilimo-tūpimo takų kaip papildomos vietinio diferencinio GPS ( LDGPS ) stotys. WAAS susideda iš maždaug 25 referencinių stočių išdėstytų visoje JAV teritorijoje. Šios stotys kontroliuoja GPS palydovų duomenis. Dvi pagrindinės stotys renka duomenis iš referencinių stočių ir generuoja GPS korekcinį signalą. Šis korekcinis signalas atskaito GPS palydovo orbitos ir laiko paklaidas, taip pat signalų vėlinimą dėl jonosferos trukdžių. Pakoreguoti diferenciniai signalai vėliau persiunčiami per vieną iš dviejų geostacionarių palydovų. Perdirbta informacija yra suderinama su bazinio GPS signalo struktūra, tai reiškia kad bet kuris pritaikytas WAAS technologijai GPS imtuvas gali apdoroti koreguotą informaciją.

Tačiau šiuo metu WAAS palydovai prieinami tik Šiaurės Amerikoje. Netgi Pietų Amerikoje nėra referencinių stočių.[2][9]

11 pav. Bazinio GPS ir GPS su WAAS funkcija tikslumo palyginimas

Taigi, net turėdamas WAAS technologijai pritaikytą GPS imtuvą vartotojas negaus korekcinio signalo ir sistemos tikslumas nebus pagerintas. Net ir kai kuriems amerikiečių vartotojams iškyla sunkumų, nes šiauriau nuo ekvatoriaus gyvenantiems vartotojams būna sunku susisiekti su geostacionariu palydovu dėl kalnuotų vietovių ar kitų reljefo ypatumų. WAAS signalų priėmimas idealus lygumoms ir jūroje esantiems vartotojams. Dėl šių svarbių priežasčių WAAS technologija netaikoma aviacijoje. [3]

Tam, kad palaikyti antrosios ir trečiosios kategorijų veikimą, papildomi tikslumo ir kontroliuojančios įrangos persijungimo laikas gali būti pasiekti į pagalbą pasitelkiant diferencines GPS stotis ir didelio integralumo antžeminę, įrengiamą netoli KTT , sistemą vadinamą lokalia diferencine GPS (Local Differencial GPS). Panaudojant LDGPS galima panaikinti beveik visas klaidas susijusias su palydovo efemeride, laiko nusimušimu, pasiekiamumu, jonosferos įtaka, paliekant tik klaidas susijusias su imtuvo triukšmais. Tako referencinė stotis (su tinkama kontrolės aparatūra) gali pateikti sistemos įspėjimus per reikalaujamą kelių sekundžių laikotarpį. Papildomas tinkamumo didinimas gali būti atliktas su WAAS pagalba, precizinio laiko standartu orlaivyje, pseudolitais, išdėstytais ties orlaivio artėjimo keliu.

1996 metais GPS imtuvai galėjo pariimti iki dešimties sprendimų per sekundę, ko pilnai pakako keletui skrydžių vienu metu. SPS kodo sprendinio tikslumas be jokio papildymo buvo pakankamas nepreciziniam priartėjimui. Kodo iššifravimas buvo pagerintas integruojant į sistemą nešančiojo dažnio Doplerio postūmio nustatymą, kad būtų galima gauti greičio komponentę lyginamiesiems pozicijos matavimams ir panaikinanti vėlinimo efektą. Pozicijos nustatymui panaudojant kinematine technologiją gaunami dar mažesni triukšmai. [10]

Dviejų sekundžių duomenų vėlinimas yra nepakenčiamas tupdymo sistemoms pagal trečią kategoriją. Reikalavimas gauti referencinį signalą iš antžeminės stoties ir skaičiavimai atliekami orlaivyje gali užlaikyti signalą net kelioms sekundėms. O tas savo ruožtu turės įtakos ir pozicijos nustatymo sprendimo priėmimo laikui. Taigi, ir pilotas apie esamą poziciją sužinos tik po kelių sekundžių, kas neretai būna jau per vėlu (turint omenį didelį šiuolaikinių orlaivių judėjimo greitį). Tokio tipo užlaikymai gali būti panaikinti antžeminių skaičiavimų, borto skaičiavimų dėka, taip pat modifikuojant imtuvo konstrukciją (pavyzdžiui, kol trunka vėlinimas gali būti apskaičiuojamas nešančiojo dažnio Doplerio poslinkis). Vėlinimą galima sumažinti ir maišant palydovų ir inercinių sistemų duomenis. Būsenos statistinis įvertinimas ( Kalmano filtras) gali derinti senus pozicijos duomenis su greičių kitimo duomenimis tam ,kad gauti tikslius esamos orlaivio pozicijos duomenis.

Mažas signalo priimamo iš palydovo galios lygis paverčia palydovinę orlaivių tupdymo sistemą labiau pažeidžiamą dėl radijo signalų interferencijos. 1996 šios problemos buvo labai intensyviai tyrinėjamos.

Palydovo signalo atspindžiai nuo žemės paviršiaus ir kitų objektų yra pakankamai maži, tačiau diferencinės stoties siunčiamų signalų atspindžiai yra kur kas didesni. Taigi, įrangos pastatymo vietos išrinkimo kriterijai yra analogiški ILS ir MLS sistemoms.[11]

Daugelis palydovinėmis sistemomis pagrįstų bandymų programų parodė, kad vien tik DGPS technologija negali užtikrinti reikiamo pozicionavimo tikslumo orlaiviui leidžiantis. Siekiant patenkinti keliamus reikalavimus būtina naudoti kombinuotas palydovines sistemas ir/arba sujungti jas su inercinėmis navigacinėmis sistemomis (INS). Taigi, atsirado būtinumas vystyti naują, mažos kainos, integruotą DGPS/DGLONASS/INS navigacinę sistemą, kuri tenkintų didelius bendrosios aviacijos reikalavimus ir atitiktų visus priimtus standartus. Integruota navigacijos ir tupdymo sistema pirmiausiai buvo projektuojama taip, kad atitiktų skrydžio pagal instrumentus sąlygas. Vienas iš pagrindinių šios sistemos reikalavimų buvo gauti mažesne negu pusės metro vertikaliąją Navigacinio Daviklio Paklaidą (NSE – Navigation Sensor Error). NSI tai skirtumas tarp realaus orlaivio masių centro ir jutiklių apskaičiuotos pozicijos. Norint pasiekti tokį tikslumą inercinė navigacinė sistema buvo susieta su DGNSS jutikliais, barometriniu aukščiamačiu ir tikrojo greičio matuokliu.

Nors DGNSS tikslumas yra pakankamai geras, ši sistema stokoja pozicijos nustatymo tęstinumo dėl palydomo nepasiekiamumo tam tikrais laiko momentais arba dėl palydovo gedimo. Be to, DGNSS pozicijos nustatymo tikslumas mažėja dėl pagreičių ir gilių posūkių. Siekiant sumažinti šiuos trūkumus sistemos signalai naudojami ir inercinėje navigacijos sistemoje.Šios dvi sitemos naudojamos kartu viena kitą papildo.[2][15]

1 lentelė. INS, GNSS sistemų ir jų sujungimo trūkumai ir privalumai.

Tokios, jungtinės, sistemos blokinė schema pavaizduota 11 paveikslėlyje. Sistema susideda iš trijų pagrindinių dalių :

Pakilimo sistema (GNSS imtuvas, duomenų perdavimo radijo dažniais imtuvas, navigacinis procesorius, duomenų laikmenos ir jų atvaizdavimo sistemos).

Antžeminė įranga (GNSS referencinės stotys, radijo siųstuvai).

Patvirtinimo referencinė sistema ( L1/L2 GPS imtuvas suderintas su INS).

Be to, sistema dar turi patenkinti keletą reikalavimų ir paskirčių :

Atitikti visus saugaus skrydžio standartus

Būti kiek įmanoma lankstesne sistema (sąsajos)

Įgalinti paprasta pritaikymą ir modifikaciją

Protingas duomenų apdorojimas ir valdymas

Buvo nuspręsta kilimo sistemą išskirstyti į FOG-AHRS su integruotu navigaciniu procesorium, išorinį GPS/GLONASS imtuvą ir išorinę pagrindinių duomenų laikmeną, kad būtų galima įrašinėti atskirų dalių duomenis ir valdyti ILS indikatorių. Antžeminė GPS/GLONASS referencinė stotis buvo suprojektuota taip, kad veiktų dviejų sekcijų režimu. Pirmoji apskaičiuoja pagrindinė GPS/GLONASS sistemos diferencines pataisas, o antroji – tikrina šių paklaidų patikimumą dar prieš jas išsiunčiant.

12 pav. Kombinuotos navigacijos ir tupdymo sistemos blokinė schema.

4.1. Automatinis leidimasis įprastiniais metodais ir pasitelkiant GPS

Kaip jau buvo paminėta įvade, nebloga išeitis palydovinėmis sistemomis pagrįstoms orlaivių tupdymo sistemoms yra integruotosios navigacinės sistemos tokios kaip GPS+GLONASS arba GPS+Loran-C. Prie tokių sprendimų privedė būtinybė užtikrinti vartotoją reikiamu tikslumu tokiam svarbiam skrydžio etape kaip tūpimas.

Daugelyje įprastinių automatinių orlaivio tupdymo sistemų naudojama instrumentinė orlaivių tupdymo sistema arba mikrobanginė orlaivių tupdymo sistema (ILS ir MLS). Šios sistemos suteikia orlaivio autopilotui informaciją apie kampines nuokrypas nuo norimo kurso, kuris iš esmės atitinka nustatytas vertikalią ir horizontalią padėtis. Bazinės ILS gali patenkinti tik neprecizinio artėjimo ir tūpimo pagal pirma kategoriją FAA keliamus reikalavimus. Orlaiviai naudojantys MLS arba patobulintą ILS gali leistis pagal trečios kategorijos reikalaujamą tikslumą. Tokiuose autopilotuose greitis paprastai yra skaičiuojamas diferencijuojant poziciją arba integruojant pagreičių reikšmes gaunamas iš inercinės matavimo sistemos. Pagrindiniai tokių sistemų trūkumai yra labai didelės vartotojų įrangos kainos ir priklausomybė nuo dar brangesnės antžeminės įrangos.[12]

Skirtingai nuo kitų navigacinių priemonių GPS imtuvai tiesiogiai dideliu tikslumu matuoja trimatį greitį (tokiose sistemose kaip DGPS ir CDGPS pasiekiami rezultatai geresni negu 5cm/s). Tiesioginis tikrojo antžeminio greičio matavimas praverčia ne vien orlaiviui tupiant, bet tos žinios labai praverčia ir esant vėjo šuoliams. Didelis GPS privalumas yra tas, kad viena elektroninė sistema gali išmatuoti objekto padėtį trimatėje erdvėje , jo judėjimo greitį ir aukštį visose skrydžio fazėse, įskaitant ir precizinį tūpimą. Tradiciškai, visiškas automatinis leidimasis reikalauja inercinio navigatoriaus.

Šiame skyriuje aptarsime automatinio tupdymo sistemą ir imituosime ją orlaiviui, naudojančiam diskretinio laiko valdiklį, veikiantį nuo GPS jutiklių. Tokios tupdymo sistemos imitavime naudojami keturi alternatyvūs jutiklių rinkiniai :

Standartinis GPS;

Standartinis GPS papildytas radijo aukštimačio duomenimis;

Diferencinė GPS be radijo aukštimačio papildymo ir

Nešančios fazės GPS (CDGPS).

Blokinė tokios tupdymo sistemos schema pavaizduota 1 paveikslėlyje. Paveikslėlyje parodytos aukštimačio ir diferencinių pataisų priėmimo priemonės nėra būtinos.

Autopiloto valdiklis įgyvendinamas dvejais būdais. Pirmuoju atveju, tai tiesiog standartinis linijinis kvadratinis Gauso reguliatorius, kurio pagalba tiesiogiai įvertinami vėjo trukdžiai. Antruoju atveju naudojamas integrinio valdymo dėsnis, kurio pagalba negalima tiesiogiai įvertinti vėjo įtaką, tačiau jo pagalba sumažinamos išėjimo paklaidos.[13] [2]

Tokios automatizuotos tupdymo sistemos bandymai parodė, kad esant normalioms oro sąlygoms ir įprastinei palydovų žvaigždyno išsidėstymo konfigūracijai, GPS ir DGPS labai lengvai gali atitikti FAA keliamus reikalavimus nepreciziniam artėjimui tūpti. Papildant GPS sistemą radijo aukštimačio duomenimis gauti rezultatai atitinka tikslumo reikalavimus keliamus pirmos kategorijos tupdymo sistemoms. O pasinaudojus nešančiosios fazės matavimais CDGPS pagalba galima pasiekti tikslumą reikalingą trečios kategorijos tupdymams (nepasitelkiant į pagalbą inercinių navigacijos sistemų).[19]

13 pav. GPS automatinio tupdymo sistemos blokinė schema

4.2. Artėjimo tūpti procedūros

Dažniausiai šiais laikais naudojama tupdymo sistema išlieka ILS. Visai neseniai sparčiausiai vystoma sistema buvo MLS, kuri turi pakankamai daug privalumų palyginus su ILS. Smulkesnius šių sistemų skirtumus ir MLS privalumus aptariau pirmojo tiriamojo darbo ataskaitoje. Abi sistemos suteikia orlaiviui reikalingą leidimuisi kelią su iš anksto nustatytomis nuolydžio ir kurso reikšmėmis. Dėl tokių sistemų kampinių matavimų ypatumų, vietos nustatymo klaidos proporcingai didėja tolstant nuo antžeminio siųstuvo. Labai dažnai šios sistemos yra papildomos inercinėmis navigacijos sistemomis, tokiu būdu suteikiant daugiau informacijos apie posvirį, orlaivio padėtį erdvėje ir jo judėjimo greitį. Orlaivis valdomas taip, kad neišeitų iš nurodyto kelio ribų, neviršytų greičio arba nebūtų per lėtas skrydis reikalingas pasiekti ir nusileisti numatytoje vietoje.

Orlaivio tūpimo procedūra susideda iš kelių sudedamųjų dalių :

Pirminis artėjimas.

Šioje fazėje orlaivis iš savo skrydžio aukščio nusileidžia iki reikiamo 500-1500 metrų aukščio, kai nuotolis iki KTT yra apie 40 kilometrų. Po šio manevro orlaivis pereina į stabilaus aukščio palaikymo fazę. Skrendant tokiu režimo orlaivio aparatūra pajėgi priimti ILS/MLS signalus ir pagal juos sekti iki KTT pradžios.

Nuožulnus sklendimas.

Kai pirminio artėjimo trajektorija susikerta su tupdymo sistemos spinduliuojamų signalų trajektorija, orlaivis pereina i nuožulnaus sklendimo fazę. Skrendant šiuo režimu palaikomas stabilus 2-3 m/s leidimosi greitis. Nuožulnaus sklendimo metu orlaivio autopilotas stengiasi kiek galima mažiau nukrypti nuo tupdymo sistemos nustatyto kurso.

Tūpimas.

Šioje fazėje leidimosi greitis turėtų būti apie 0,5 m/s. Autopilotas kreipia orlaivį pagal asimptotę link pasirinkto taško esančio virš KTT.

4.3. Artėjimas tūpti pagal GPS

GPS sistema yra nepriklausomas pozicijos, greičio, orlaivio padėties erdvėje jutiklis, kuris funkcionuoja be jokių antžeminių siųstuvų pagalbos (turima omeny tai ,kad nėra jokio antžeminės įrangos formuojamo spindulio pagal kurį orientuojasi autopilotas). Skirtingai nuo ILS ar MLS bet koks tinkamas leidimuisi kelias gali būti sukurtas GPS sistemos pagalba, težinant KTT koordinates ir išsidėstymą. Vientisųjų švyturių panaudojimas kartu su CDGPS kalibruoja palydovų nevienareikšmiškumą ir formuoja papildomą nešančiosios fazės informaciją. Tokie paprasti ir nebrangūs prietaisai taip pat padidina sistemos integralumą : skaičiavimai parodė, kad tokios sistemos panaudojimas garantuoja vieną klaidingą nusileidimą iš milijardo sėkmingų atvejų. Net jei ir orlaivis yra priverstas skristi per apylinkes kur įrengti minėtieji siųstuvai, kad patikimai ir užtikrintai pasiektų centimetrinį tikslumą, tie siųstuvai netrukdo orlaiviui judėti kitu artėjimo tūpti keliu.

4.4. GPS matavimai

Pagrindinis faktorius į kurį atsižvelgiame projektuojant automatines tupdymo sistemas yra GPS sistemos paklaidos ir triukšmai. Paklaidų dydis gali keistis priklausomai nuo įrangos gamintojo. [2]

2 lentelė. GPS tikslumai

Lentelėje pavaizduotų sutrumpinimų reikšmės :

• GDOP – (geometric dilution of precision) – geometrinio tikslumo silpninimas
• HDOP – (horizontal dilution of precision) – horizontalaus tikslumo silpninimas
• VDOP – (vertical dilution of precision) – vertikalaus tikslumo silpninimas
• UERE – (user equivalent range error) – vartotojo ekvivalentinio nuotolio klaida
• UERRE – (user equivalent range rate error) – vartotojo ekvivalentinio nuotolio kitimo klaida.

4.5. Tūpimas tik su GPS

Automatinis orlaivio tupdymas naudojantis nediferencine GPS galimas tik su esančiomis vertikaliomis 10-15 metrų ir horizontaliomis 7-8 metrų paklaidomis. Taigi, seka išvada, kad skrydis pasinaudojant tik GPS pilnai atitinka FAA keliamus neprecizinio artėjimo tūpti reikalavimus. Dėl didelių vertikalios pozicijos nustatymo paklaidų preciziniam leidimuisi sistema nenaudotina.

4. 6. Tūpimas su GPS ir aukštimačiu

Tikslaus nusileidimo specifika yra ta, kad reikalaujama didesnių vertikalios padėties nustatymo tikslumų, o ne horiontalios. Deja, GPS sistemoje kol kas horizontalūs matavimai yra kur kas tikslesni už vertikalius matavimus. Visai tai yra dėl palydovo geometrijos. Tačiau, yra vienas neblogas būdas išspręsti šią GPS problemą – į pagalbą pasitelkti kur kas geresnius vertikalių matavimų rezultatus teikiantį radijo aukštimatį. Nors radijo aukštimatis ir nepagerina horizontaliųjų matavimų tikslumo, tačiau jo pagalba vertikaliųjų matavimo paklaidos sumažinamos iki 1 metro. Taigi, tokia kombinuota sistema pilnai atitinka FAA pirmai artėjimo tūpti kategorijai keliamus reikalavimus. Gaunami ypatingai geri vertikalaus matavimo tikslumai palyginus su tai kuriuos gautume tik GPS pagalba.

4.7. Tūpimas su diferencine GPS

Kitas pakankamai patikimas būdas sumažinti GPS paklaidas yra pasinaudoti diferencinėmis pataisomis siunčiamomis iš netoliese esančios diferencinės GPS stoties. Tokia sistema pagerina ir vertikalaus matavimo, ir horizontalaus matavimo tikslumus, tuo pačiu pateikia ir gana tikslius objekto judėjimo greičio duomenis. Svarbu paminėti, kad DGPS panaudojimas tuo pačiu pagerina ir skrydžio technines paklaidas. Yra žinoma, kad diferencinių pataisų pagalba GPS paklaidos sumažinamos beveik per pusę. Taigi, Į pagalbą tupiant pasitelkiant vien tik DGPS gauname sistemą, kuri pilnai atitinka FAA keliamiems pirmos kategorijos artėjimo tūpti horizontalių paklaidų reikalavimams, tačiau neatitinka vertikalių matavimų tikslumai. Taigi automatizuotas nusileidimas vien tik su DGPS yra neįmanomas.[16][18]

4.8. Tūpimas su CDGPS

Kitas būdas padidinti jutiklių matavimo tikslumą leidžiantis orlaiviui yra pasinaudoti realaus laiko nešančiosios fazės diferencine GPS. Šis metodas suteikia žymiai didesnius matavimo tikslumus, kas įrodo sistemos privalumą palyginus su viena GPS. Bendroji pozicijos nustatymo klaida orlaiviui tupiančiam su GPS, GPS su aukštimačiu, arba DGPS buvo priklausoma nuo navigacinės sistemos klaidos. Tyrimai parodė, kad sisteminės paklaidos orlaiviui besileidžiant su CDGPS priklauso nuo orlaivio skridimo techninių paklaidų, tai yra, galimybė orlaiviui sekti žinoma trajektorija esant dideliems išoriniams fiziniams trukdžiams. Tai reiškia, kad jutiklių greičio, koordinačių ir padėties erdvėje matavimo tikslumas yra tiek geras, kad autopiloto veikimas paprasčiausiai skirtas solenoidų kontrolei ir keleivių saugumui bei komfortui. Navigacinės CDGPS sistemos paklaidos atitinka FAA reikalavimus keliamus trečiai kategorijai.[17][20]

5. Precizinis orlaivių tupdymas panaudojant pseudolitus

Orlaivių tupdymas blogo matomumo sąlygomis reikalauja pačių aukščiausių navigacinių sistemų veikimo standartų. Kai iškyla būtinybė ekstremaliomis oro sąlygomis ir gyvybei kritiškais momentais, III kategorijos orlaivių tupdymo sistemos vertikalaus tikslumo riba turi būti ne daugiau kaip dvi pėdos (95%) ir reikalauja didelio integralumo. Kiekvienam artėjimui tūpti, klaidingo aptikimo tikimybė negali viršyti . Šioje dalyje bus aptartos pseudolitų panaudojimo orlaivių tupdymui galimybės. [33]

5.1. Sistemos apžvalga

Tupdymo sistemos panaudojant pseudolitus vaizdas pateiktas paveikslėlyje. IBLS yra bandomoji priemonė sukurta pademonstruoti, kad pseudolitais paremta CDGPS navigacinė sistema gali atitikti reikalaujamus navigacinius parametrus RNP reikalingus patupdyti orlaivius. Kadangi IBLS yra tik eksperimentinė ir demonstracinė priemonė, išbandyta tik idealiomis meteorologinėmis sąlygomis pasitelkiant geriausius pilotus, labai nedaug buvo aptikta sistemos veikimą ribojančių faktorių ar kitų trukdžių. Atsižvelgiant į ICAO likvidumo ir tęstinumo keliamus reikalavimus buvo įrodyta, kad IBLS sistema pilnai atitinka visus automatiniam orlaivių tupdymui keliamus reikalavimus.

IBLS antžeminė įranga susideda iš CDGPS standartinio imtuvo, duomenų perdavimo linijos iš atraminės stoties iki orlaivio ir poros pseudolitų, išdėstytų abiejose tūptinės pusėse. Pseudolitai transliuoja persidengiančius, hemisferinius signalus, per kuriuos orlaivis praskrenda prieš pat nutūpimą.

IBLS sistemos antžeminis referencinis imtuvas nenutrūkstamai priima signalus iš abiejų pseudolitų ir iš mažiausiai keturių GPS palydovų. Vėliau šiuos signalus atitinkamai apdorojusi per reikiamas duomenų perdavimo linijas persiunčia orlaiviui. Tiek kryptinė antena, tiek koaksialiniai perdavimo kabeliai buvo panaudoti perduoti pseudolitų signalus į referencinę stotį. Įrenginėjant IBLS sistemą pirmą kartą, atraminės antenos ir abiejų pseudolitų padėtis apskaičiuojama atsižvelgiant į kilimo-tūpimo tako tūpimo taško koordinates, kurios nustatomos tiksliais statiniais matavimais. Nuo šių matavimų tikslumo priklausys ir įrengtos sistemos teikiamų navigacinių duomenų kokybė.

Orlaivio borto įranga susideda iš CDGPS vartotojo imtuvo ir kompiuterio, kad pagal specialų algoritmą apdorotų gaunamus navigacinius duomenis. Vartotojo imtuvas turi dvi antenas: viena nukreipta tiesiai į palydovus, kita nukreipta pseudolitų kryptimi.

Orlaiviui skrendant per pseudolitų transliuojamų signalų veikimo zoną, jis atlieka diferencinius atraminės fazės matavimus remdamasis palydovų ir pseudolitų signalais. Kiekvienas laike pažymėtas matavimų rinkinys tampa viena didelės matricos dalimi. Dėl to, kad tiesioginio pseudolito matomumo vektorius kinta pakankamai sparčiai, minėtoji matrica gali būti išspręsta.

Kai orlaivis išskrenda iš pseudolitų signalų įtakos zonos, jis jau būna išsprendęs matricą ir atraminės fazės sveikąją dalį bei matavimų liekanas. Jei liekamosios dalys viršija nustatytą ribą, formuojamas klaidos signalas ir tūpimas nutraukiamas. Tai ir yra pagrindinis IBLS sistemos integralumo monitorius. Toji gautųjų paklaidų viršijimo riba gali būti nustatyta taip, kad patenkintų bet kokius integralumo reikalavimus nedetektuotų signalų tikimybei. Tačiau tokiu atveju mažėja tupdymo sistemos likvidumas ir tęstinumas.

Paprastai liekamosios skaičiavimų dalys būna kur kas mažesnės negu nustatytoji reikšmių riba. Tokiu atveju, orlaivis tęsia žemėjimą kol saugiai nusileidžia. [28]

5.2. Centimetrinio lygio padėties nustatymas

Kinematinis orlaivio padėties nustatymas yra pagrįstas preciziniais GPS nešančiosios fazės matavimais. GPS L1 signalo bangos ilgis yra 19 centimetrų, tad moderniausi GPS imtuvai realiame laike gali išmatuoti nešančiąją fazę subcentimetriniu tikslumu. Precizinis pozicijos nustatymas pasibaigia išmatavus nešančiosios fazės skirtumus tarp antenos ir išmatuotos padėties ant žemės bei orlaivio antenos. Sprendžiant nešančiosios fazės ciklų dviprasmiškumus (bangos ilgio kiekio tarp kiekvienos užsiduotosios antenų poros ir kiekvieno užsiduoto GPS palydovo sveikas skaičius) imtuvas gali nustatyti savo padėtį centimetriniu tikslumu.

5. 3. Integrinių švyturių (pseudolitų) tupdymo sistemų istorija

IBLS ( Integrated Beacon Landing System) – tai šalutinis NASA remtas Stanfordo universiteto tyrimas. Nauja, paremta GPS nešančiosios fazės matavimais, sistema buvo sukurta ir išvystyta šiame universitete.[2]

14 pav. Pseudolitų panaudojimas orlaivių tupdymui pagal III kategoriją.

5.4. Reikalaujami navigaciniai parametrai

Preciziniam tūpimui reikalingi tokie navigaciniai parametrai, kurie atitiktų visą eilę kitų savybių, tokių kaip integralumas, tikslumas, likvidumas ir tęstinumas. Aptarsime IBLS sistemos atitikimą visiems šiems reikalavimams.

5. 5. Tikslumas

Pastovūs ir patikimi kelių centimetrų tikslumo matavimai atliekami IBLS sistemos viršija tiek ICAO 7 priedo, tiek FAA keliamus reikalavimus vertikaliai III kategorijos tupdymo paklaidai. Kita siūloma RNP tunelio koncepcija reikalauja 15 pėdų esant 100 pėdų aukščiui tikslumo. Tokio dydžio neturėtų viršyti bendra sistemos paklaida (TSE- Total System Error). Atliekant apskraidomuosius bandymus su įvairiais autopilotais paaiškėjo, kad IBLS atitiko visus šiuos reikalavimus.

IBLS sistemos suteikiamas matavimų tikslumas turi svarbią reikšmę projektuojant atsparias nepalankioms sąlygoms tupdymo sistemas. Labai svarbus IBLS privalumas yra ypatingai maža navigacinių jutiklių paklaida (NSE- NAvigation Sensor Error). Tokia sistema labai lengvai perneša neigiamus GPS žvaigždyno pakitimus, teikdama duomenis su labai mažomis NSE paklaidomis. Kai navigacinių jutiklių paklaida yra labai maža, bendra sistemos paklaida netenka įtakos navigacinių jutiklių paklaidai. Bendru atveju, bendra sistemos paklaida:

(2)

Čia FTE- techninė skrydžio paklaida.

Didelis jutiklių tikslumas ir didesnės FTE tolerancijos taip pat suteikia didesnes galimybes saugiai nusileist esant stipriems vėjo gūsiams.

Svarbu paminėti, kad didelis navigacinių jutiklių jautrumas tuo pačiu padidina ir bendrą sistemos integralumą.

5.6. Integralumas

Integralumas- tai matavimai, kurių rezultatai gali būti panaudojami koreguojant navigacinių sistemų išėjimuose formuojamus signalus. Tupdymo pagal III kategoriją reikalavimuose nurodyta, kad klaidingo tūpimo aptikimo tikimybė vienam artėjimui tūpti gali būti .

Turbūt didžiausia pseudolitų privilegija yra jų RAIM galimybės precizinio artėjimo tūpti ir tūpimo metu. Automatinė imtuvo integralumo kontrolė (RAIM) suteikia žymiai svarbesnius privalumus prieš tradicinę antžeminę monitoringo sistemą. Tikriausiai, svarbiausias RAIM privalumas yra tai, kad ji kontroliuoja visus sistemos segmentus, įskaitant ir orlaivį. Antžeminės kontrolės stotys tokių galimybių neturi. Kita tradicinių antžeminių monitoringo sistemų bėda yra tai, kad vis dar egzistuoja su orlaiviu nesusijusių klaidų nedetektavimas. GPS atveju, viena iš tokių potencialiai pavojingų paklaidų yra susijusi su pseudotriukšmu.

IBLS, kuri atlieka tiek antžeminį monitoringą, tiek RAIM, yra atspari su pseudotriukšmu susijusioms paklaidoms. Tai yra dėl to, kad naudojamasi GPS nešančiąja faze.

Yra dar kelios galimybės padidinti sistemos integralumą. Tereikia pasinaudoi papildomų aukščio matavimo prietaisu, meteolokatoriumi ir vaizdų perdavimo sistema.

5.7. Likvidumas

Likvidumas- tai laiko dalis, kurios metu sistema bus pajėgi atlikti savo funkcijas. GPS palydovų panaudojimas žymiai pagerina tupdymo pagal GPS likvidumą, suteikdamas papildomus atstumų matavimus. IBLS reikalauja tik 4 palydovų signalų pilnam savo funkcionavimui užtikrinti. Tokiu atveju turi būti panaudoti ir signalai iš inercinės sistemos.

5.8. Tęstinumas

Tęstinumas- tai sistemos funkcionavimo nutrūkimų skaičius per vieną tūpimą. Dėl didelio tikslumo suteikiamo GPS pseudolitų, RAIM integralumo klaidingų signalų skaičius gali būti .

5.9. Pseudolitų architektūra

Centrinė IBLS sistemos figūra ir yra pats pseudolitas. Dirbdamas kartu su tradicine antžemine skirtuminių pataisų GPS stotimi šis žemo galingumo siųstuvas suteikia orlaiviui visą reikiamą informaciją apie atstumus tikslaus tūpimo metu. Aptarsime du pseudolitų tipus: Doplerinį ir universalųjį.

5.10. Doplerinis švyturys

Doplerinis integruotasis švyturys yra nepriklausomas, žemo galingumo GPS signalų siųstuvas, kuris tiesiogiai susietas su diferencine stotimi. Doplerinio švyturio blokinė scema pateikta paveikslėlyje. Toks pilnai sukonstruotas švyturys užima vos kreditinės kortelės dydžio plotą. Siųstuvas gali veikti ilgiau nei pusė dienos maitinamas tik viena standartine 9 voltų baterija.

Sferoje su 300 metrų spinduliu, siųstuvo galia tesiekia kelis mikrovatus. Signalas iš pseudolito yra tiesiogiai retransliuojamas į diferencinių pataisų stotį. Stotyje yra išmatuojamos abiejų abejų pseudolitų signalų nešančiosios fazės ir GPS signalas. Abu šių matavimų rinkiniai yra siunčiami į orlaivį panaudojant tradicines diferencinių duomenų perdavimo ryšio linijas.

Universalus švyturys

Šio tipo pseudolitai yra kur kas tobulesnė versija, užtikrinanti daugiau privalumų už doplerinius švyturius. Įdiegiant tokius švyturius į IBLS panaikinama būtinybė kabeliais sujungti atskirus sistemos komponentus. Šios sistemos koncepcija pavaizduota paveikslėlyje. Vienoje nepertraukiamoje signalų perdavimo grandinėje universalusis švyturys perima GPS signalą iš imtuvo antenos, iškoduoja palydovo PRN kodą, suformuoja pseudolito PRN kodą ir persiunčia naują signalą. Siunčiamas signalas yra surišamas pagal kodą ir nešantįjį dažnį bei fazę atsižvelgiant į jų įeinančius duomenis. Idealiu atveju, siųstuvo ir imtuvo antenos gali būti sujungtos. Tačiau, praktika parodė, kad kai kuriais atvejais šias abi antenas derėtų išskirti siekiant izoliuoti radijo signalus. Kiekvienas universalusis švyturys yra nepriklausomas ir veikiantis automatiškai.

15 pav. Tupdymo sistemos blokinė schema.

5.12. Matomumo analizė

Pateikiama supaprastinta analizė, iliustruojanti, kaip pavienis pseudolitas suteikia duomenis apie radialinę ir išilginio kelio koordinačių informaciją. Paveikslėlyje demonstruojama paprasta linijinė trajektorija einanti tiesiai per pseudolito veikimo zoną. Orlaivio koordinatės susideda iš šių atskirų dedamųjų: išilginio kelio pozicija x, skersinio kelio pozicija y ir esanti aukščio reikšmė z. Orlaivio pozicijos vektoriaus dydis (x,y,z) ir yra atstumas iki pseudolito. Išmatuotasis atstumas gaunamas:

(3)

Čia b- reiškia visų trukdžių sumą sistemoje (cikliškas dviprasmiškumas, vėlinimai atsirandantys duomenų perdavimo kabeliuose ir kt.). išreiškia kiekvieno imtuvo laiko paklaidas. Standartinis kinematinis pozicionavimas naudojamas panaikinti laiko nesutapimus tarp dviejų imtuvų (). Atstumas iki pseudolito taip pat gali būti išmatuotas tiesiogiai, priklausomai nuo pridėtinės paklaidos b:

(4)

Išmatuotą fazę linearizuojant nominalia trajektorija, kuri (paprastai) eina tiesiai virš pseudolito (y=0), matomumo matricą galima būtų užrašyti sekančiu būdu:

(5)

Svarbu paminėti, kad skersinio kelio koordinatės y nėra stebimos naudojant pavienį pseudolitą. Dėl šios svarbios priežasties naudojama sudvejinta pseudolitų sistema. Kai įrengti du pseudolitai kiekvienoje tūptinės pusėje, duomenys apie visas tris orlaivio koordinates yra gaunamos. [2][28]

5.13. Matricų formulavimas

Tam, kad kiek galima geriau suprastume, kaip IBLS naudodamasi iš GPS palydovų gaunamais duomenimis suteikia tokias tikslias koordinates, apžvelgsime kaip sudaromos ciklų dviprasmiškumų matricos. Matematinis sistemos aprašymas yra atliktas pagal sistemos blokinę schemą. Ciklų dviprasmiškumo rezoliucijos nustatymo algoritmų vystymas buvo atliktas daugiausiai pagal standartinį diferencinį atstumų nustatymo metodą remiantis duomenimis gautais iš doplerinių švyturių. Tačiau rezultatus galima pritaikyti ir universaliesiems švyturiams. Paveikslėlyje 3 pateikiama vektorių sistema pagal kurią atliekami skaičiavimai.

Neapdorotų atraminės fazės matavimų, gautų iš orlaivio ir atraminės stoties imtuvų, diferencijavimas atliekamas sekančiai:

(6)

Čia - diferencijuota palydovo fazė, - regimosios linijos iki palydovo vektorius, - poslinkio tarp diferencinės stoties GPS antenos ir orlaivio antenos vektorius, - diferencinės stoties ir orlaivio laiko skalių nesutapimas, - palydovo išmatuoto atstumo paklaida, atsirandanti dėl atspindžių ir imtuvo vidinių triukšmų.

16 pav. Vektorių geometrija.

Panašiai pseudolitui j epochoje k gauname:

(7)

Čia: - vektorius nuo diferencinės stoties iki pseudolito j.

Duota apytikslė trajektorija , gauta iš kodinės DGPS, leidžia žemiau esančias išraiškas išreikšti per apytikslės trajektorijos deviacijas: .

(8)

Ir

(9)

Čia: . Tam, kad išspręsti ciklų dviprasmiškumą,turi būti tiksliai nustatyta kiekvieno sveiko skaičiaus reikšmė. Tai daroma dėl egzistuojančios laiko skalių paklaidos, kuri yra bendra visiems epochoje k atliktiems matavimams. Skaičiavimų supaprastinimui priimame, kad . Nustatomas m GPS palydovų ir dviejų pseudolitų matavimų vektorius :

ir (10)

Atrenkame visus n matavimus, suriktus per skrydį virš pseudolito, tam, kad nustatyti sekančią reikšmę:

(11)

Kur:

(12 )

Ir:

(13)

Dėl netiesinės problemos prigimties, sprendinys nėra galutinis atsakymas. Vietoj to, apytikslė trajektorija ir matomumo matrica turi būti pagerintos apytikriai apskaičiuotomis reikšmėmis, ir šis procesas turi būti kartojamas tol, kol atnaujinimas taps nežymus. Konvergencijų skaičiavimo laikas trunka šiek tiek mažiau negu sekundę naudojantis 486 serijos procesoriumi. Patirtis parodė, kad per 3-10 iteracijų gaunamas patenkinamas rezultatas.

5.14. Pseudolitų suderinamumas

Nors skirtuminės GPS technologijos gali padidinti visos sistemos patikimumą, integralumą ir tikslumą, tačiau ji negali apeiti tam tikrai vietovei būdingų išlygų, ribojančių GPS sistemos panaudojamumą specifinėms reikmėms. Pagrindinis ribojantis faktorius yra palydovų išsidėstymo geometrija, palydovų signalų blokavimas dėl vietovės objektų arba reljefo nelygumų ir retkarčiais pasitaikantys prasto PDOP faktoriaus periodai, kurių metų gaunami prasti tikslumo rezultatai netgi sekant pakankamą palydovų kiekį. Vertikaliojo dėmens paklaidos paprastai yra kur kas jautresnės šiam efektui. Tai ir yra pagrindinis GPS pritaikymą aviacijoje ribojantis faktorius. Būna atveju, kai navigacinis sprendinys negaunamas ir dėl nepakankamo matomų palydovų skaičiaus.[21][40]

Pseudolitų panaudojimas gali išspręsti šias ir daugelį kitų su matavimų tikslumu susijusių problemų. Pseudolitas- tai paprasčiausias ant žemės pastatytas siųstuvas, kuris siunčia tokius pačius, kaip ir GPS palydovas signalus. Siunčiami signalai priimami vartotojo imtuve ir panaudojami pseudo-atstumų skaičiavimuose. Pseudolitų signalai taip pat gali perduoti įvairius duomenis, taip padidindami signalų patikimumą ir integralumą. Pagrindiniai pseudolitų privalumai:

Geometrijos pagerinimas. Pseudolitai, veikiantys kaip papildomi GPS sistemos palydovai, žymiai pagerina sistemos siųstuvų išsidėstymo geometrinį faktorių, taigi, ir padėties nustatymo tikslumą. Tai užtikrinama tik pseudolito veikimo zonoje. Vertikalusis (VDOP), kaip ir horizontalusis (HDOP) tikslumo praradimo faktorius yra žymiai pagerinamas, o tai yra vienas iš svarbiausių rodiklių pritaikytinų aviacijoje. Atlikti eksperimentai parodė, kad 20-40 kilometrų spinduliu aplink pseudolitą, PDOP reikšmės sumažėja iki 3, kai stebima net mažiau negu reikalaujama palydovų.

Signalų prieinamumo pagerinimas. Kai stebima mažiau nei reikia palydovų reikalingų gauti navigacinį sprendinį, pseudolitų siunčiami signalai lengvai išsprendžia šią problemą.

Būdingas skirtuminių pataisų transliavimas. Pseudolitų siunčiami GPS signalai turi galimybę perduoti ir skirtumines pataisas, kurios gali būti priimamos imtuve. Tai suteikia galimybę gauti skirtumines pataisas atsisakant papildomų duomenų perdavimo linijų.

Savaiminis perspėjimas apie gedimą. Pseudolitų siunčiami papildomi signalai vartotojui suteikia galimybę vykdyti savo paties gedimų įvertinimą. Pavyzdžiui, jei tariamųjų atstumų matavimai atliekami iš keturių orbitoje esančių palydovų ir vieno antžeminio pseudolito, problema gali būti aptikta tikrinant matavimų nuoseklumą. Jei naudojami signalai iš dviejų pseudolitų tokiu atveju ne tik aptinkami blogi signalai, bet ir identifikuojamas jų siųstuvas. Tokie privalumai ypač naudingi aviacijoje, kur pilotas apie blogus signalus turi būti informuojamas labai greitai (1-10 sekundžių).

Signalų blokavimo (nepasiekiamumo) problemos išsprendimas. Papildomi GPS signalai siunčiami pseudolitų gali pašalinti problemą, kai palydovų signalai nepasiekiami dėl paviršiaus objektų ar reljefo nelygumų.

5.15. Pseudolitų signalų struktūra

Idealiu atveju pseudolitų siunčiami signalai vartotojo imtuve gali būti priimami be jokių imtuvo modifikacijų arba tik su minimaliais vartotojo imtuvo konstrukcijos pakeitimais. Tokiu atveju reiškia, kad pseudolitų signalai turi turėti savo unikalų C/A kodą su tokiomis pačiomis charakteristikomis kaip ir GPS palydovų signalų C/A kodai. Tačiau, būtų labai sunku išvengti palydovo ir pseudolito signalų interferencijos vartotojo imtuve. Interferencijos problema iškiltų net ir tuo atveju, kai pseudolitų ir palydovų C/A kodai ortogonalūs. Bet fundamentali pseudolitų panaudojimą ribojanti problema vadinama „toli-arti“ problema, atsirandanti dėl pseudolito signalo galios atvirkštinės priklausomybės nuo atstumo kvadrato. Tokia problema neiškyla GPS palydovams, nes atstumai tarp palydovų ir imtuvo keičiasi labai nedaug šio atstumo vidutinės vertės atžvilgiu. Tai negalioja pseudolitams. Problema kyla dėl to, kad imtuve priimamo pseudolito signalo stiprumas turi būti apytiksliai lygus palydovo signalo stiprumui. Jei pseudolito signalas savo galia yra apytiksliai lygus palydovo signalui ir imtuvas yra už 50 kilometrų nuo siųstuvo, tai signalas bus 60 dB stipresnis imtuvui esant vos 50 metrų nuo siųstuvo. Esant tokiam atstumui, pseudolito signalas bus tiek stiprus, kad užgos iš palydovų sklindančius signalus.

17 pav. Pseudolito “Arti-toli” problema

5.16. „Arti-Toli“ problema

Nuspręsta, kad oro uosto pseudolitas yra suprojektuotas asistuoti orlaivį artėjimo tūpti metu. Kai kurios skrydžio taisyklės, reglamentuojančios artėjimą tūpti pagal ILS, reikalauja, kad orlaivio borto aparatūra turi sekti pseudolito signalus dar prieš pradedant atlikinėti artėjimo tūpti pricedūras. Signalai iš pseudolito turėtų būti priiminėjami nuo KTT esant per 32 km. Viena iš siūlomų pseudolito padėčių yra pastatyti jį šalia KTT netoli ILS sistemos tūptinės siųstuvo. Nusileidęs orlaivis būtų per 10 metrų nuo pseudolito.

„Arti“ ir „toli“ atstumų santykis yra maždaug 3200 prie 1. Jei pseudolitas transliuoja nekintančio galingumo signalus, orlaivio borto įrangos priimamo signalo lygis keičiasi pagal atstumo iki pseudolito kvadrato atvirkštinę priklausomybę.[27][28]

5.17. Pseudolitų signalų formavimo pasiūlymai

Naudoti gerų charakteristikų pseudo-triukšmų kodus. Apsauga nuo pseudolito 60 dB slopinimo reikalauja siųsti kur kas ilgesnį kodą negu palydovo C/A kodas. Tai būtų labai nepraktiškas sprendimas, žymiai padidinantis imtuvo kainą ir sumažinantis suderinamumą su GPS.

Pseudolito dažnio poslinkis. Stumiant pseudolito nešantįjį dažnį į šoną nuo 1575,42 MHz L1 dažnio, imtuvo filtrai padėtų išvengti pseudolito ir palydovo signalų interferencijos. Tačiau ir tai būtų nepraktiškas sprendimas, žymiai padidinantis imtuvo kainą ir sumažinantis suderinamumą su GPS.

Mažos galios ciklų signalų laikinis paskirstymas. Siūloma išeitis pseudolitui transliuoti L1 dažnio trumpus, mažo galingumo impulsus, kurie su palydovo signalais interferuotų tik labai trumpą laiko tarpą. Tokia signalo struktūra imtuvo konstrukcijos beveik nelemtų. Tokie pseudolitų signalai išlaikytų suderinamumą su visa GPS sistema. Į pagalbą pasitelkiamas 51 naujas Goldžio kodų rinkinys su tokiu pačiu periodu bei skiltelių skaičium kaip ir GPS palydovo C/A kode. Nors kodo seka generuojama nenutrūkstamai tiek pseudolite, tiek vartotojo imtuve, pseudolitas savo navigacinius duomenis siunčia tik per 90,91 μs intervalą kas 10 ms. Toks laiko tarpas atitinka pusę duomenų bito. Kiekvienas iš vienuolikos tokių intervalų perduoda 93 naujas kodo skilteles. Taigi, visos 1023 kodo skiltelės perduodamos per 10 ms. Atstumas tarp siuntimo intervalų yra atsitiktinis.

5.18. Pseudolitų charakteristikos

Pseudolito identifikavimas. Pseudolitų identifikavimas atliekamas į pagalbą pasitelkiant unikalų Goldžio kodą ir pseudolito fizinę padėtį. Padėtis perduodama 50 bps duomenų seka. Kadangi pseudolitų signalai yra labai silpni ir gali būti priimami tik tam tikroje zonoje, tuo atveju, kai pseudolitai yra pakankamai toli vienas nuo kito, galima naudoti du vienodus Goldžio kodus. Tokiu atveju taisyklingas pseudolito identifikavimas užtikrinamas nustatant pseudolito padėtį.

Pseudolito laiko skalės poslinkis. Kadangi pseudolitai gali tikrinti GPS signalų kokybę neribotą laiką, jie taip pat gali nustatyti ir GPS laiką. Tai suteikia galimybę pseudolitų siunčiamoms epochoms būti teisingoms GPS laiko atžvilgiu. Taigi, atkrenta būtinybė siųsti pseudolitų laiko korekcijas.

Siunčiamo signalo galia. Pirminė pseudolitų panaudojimo sritis yra orlaiviai oro uoste ir jo prieigose. Taigi, maksimali priėmimo zona yra 50 km. Tokiu atstumu visakryptė sferinės kryptiškumo diagramos antena spinduliuoja apytiksliai 30 mW galios signalus. Spinduliuojamų signalų galia panaši į GPS palydovų signalų galią (-116 dB). 50 metrų atstumu nuo pseudolito, signalų galia bus 60 dB didesnis.

Pseudolito žinutės struktūra. Nors pseudolito duomenų srautas yra 50 bps, kad būtų galima užtikrinti jo suderinamumą su GPS imtuvu, pranešimo struktūra turi būti modifikuota taip, kad pseudolito siunčiamą informaciją būtų įmanoma atskirti nuo GPS siunčiamų duomenų.

Minimalus atstumas tarp pseudolitų. Atstumas tarp pseudolitų priklauso nuo to, kokį Goldžio kodą naudoja vienas ar kitas pseudolitas.

5.19. Pseudolitų su vienodais Goldžio kodais atskyrimas

Vienas iš būdų atskirti du vienodą Goldžio kodą naudojančius pseudolitus yra sinchronizuoti pseudolitų signalų siuntimo intervalus skirtingiems momentams. Tokia technologija garantuoja, kad siunčiami duomenys iš skirtingų pseudolitų imtuve nepersidengs. Kad tai būtų kokybiškai įgyvendinta, atstumas tarp pseudolitų turi būti mažiausiai 130 km. Toks atstumas garantuoja, kad vartotojas būdamas per 50 km nuo pageidaujamo pseudolito bus mažiausiai per 80 km nuo nepageidaujamo pseudolito. Nepageidaujamo pseudolito signalai sklis dar mažiausiai 30 km ir užtruks 100 μs ilgiau. Turint omenyje, kad impulso plotis yra 90,91 μs, dviejų pseudolitų impulsai nepersidengs interferencijos bus išvengta.

Tačiau egzistuoja kur kas konservatyvesnis pseudolitų atskyrimo per atstumą variantas. Kito metodo esmė yra atitolinti pseudolitus vieną nuo kito tokiu atstumu, kad vieno pseudolito signalai būtų per silpni interferencijai. Tarkime, kad vienas pseudolitas yra nustatytas pasiekti reikiamą -126 dB stiprumą imtuve, kai atstumas iki pseudolito yra 50 km. Kito, nepageidaujamo pseudolito signalų stiprumas turi būti bent 14 dB silpnesnis. Remiantis paprasčiausiais skaičiavimais galima apskaičiuoti, kad toks signalų susilpnėjimas bus tik už 250 km. Taigi, tokiu atveju atstumas tarp dviejų vienodą Goldžio kodą naudojančių pseudolitų turi būti ne mažesnis kaip 300 km.

5.20. Pseudolitų su skirtingais kodais atskyrimas

Kai vartotojas turi vienu metu priimti signalus iš kelių pseudolitų, signalų atskyrimas tarp skirtingų pseudolitų gali būti įgyvendintas į pagalbą pasitelkiant skirtingus siunčiamo signalo impulsų išdėstymus laike. Aišku, toks sprendimas sistemą padarys sudėtingesnę. Šio metodo esmė yra naudoti sinchroniškus duomenų perdavimus, bet pseudolitus atskirti taip, kad kai priimami signalai imtuve persidengia, imtuvas vistiek pajėgus juos atskirti. Tokios sistemos pavyzdys parodytas 15 paveikslėlyje. Pseudolitai yra nutolę mažiausiai per 27,25 km. Tai yra per atstumą, kurį nukeliauja signalas per vieną siuntimo impulsą. Kai signalai siunčiami sinchroniškai, egzistuoja taip vadinamas centrinis regionas, apribotas hiperbolėmis iš dešinės ir kairės pusių. Atstumas tarp ribų yra minėti 27,25 km, kai linija eina per abu pseudolitus. Ši distancija yra nepriklausoma nuo atstumo iki palydovų, tačiau hiperbolės kreivumas mažėja didėjant atstumui tarp pseudolitų. Už centrinės zonos ribų pseudolitų signalai nepersidengs ir bus lengvai identifikuojami imtuve. Sunkumai susiję su persidengusių pseudolitų signalų atskyrimu centrinėje zonoje yra pseudolitų atskyrimo funkcijos. Atskyrimas yra sunkiausias, kai imtuvas yra ant hiperbolės ir tiesės jungiančios pseudolitus susikirtimo taško. Tokiu atveju artimesnio signalo galia gali užgožti tolesnio pseudolito signalą.

18 pav. Minimalus atstumas tarp pseudolitų

5.21. Imtuvai, pritaikyti priimti pseudolitų signalus

Pagrindiniai reikalavimai imtuvui, priimančiam pseudolitų signalus:

Nenutrūkstantis signalų priėmimas. Imtuvas turi nenutrūkstamai gauti pseudolitų siunčiamus navigacinius duomenis, todėl šiai užduočiai turi būti skirtas atskiras kanalas.Taigi, vieno kanalo lėto eiliškumo imtuvas neturėtų būti naudojamas pseudolitų signalams priimti. Tai nėra problema šiais laikais, kai beveik kiekvienas civilis imtuvas turi kelis priėmimo kanalus.

Galimybė sekti pseudolitų Goldžio kodus. Imtuvas turi būti suprijektuotas taip, kad galėtų generuoti ir sekti visus 51 specialius C/A kodus skirtus specialiai pseudolitams.

Pseudolitų signalų interferencijos su GPS signalais sumažinimas

Galimybė priimti persidengiančius pseudolitų signalus. Grupė pseudolitų, suprojektuotų dirbti vienu metu, turi būti nutolę vienas nuo kito palyginus nedideliais atstumai. Tai sukelia nepageidaujamą signalų persidengimą imtuve tam tikrose veikimo zonose. Taigi, imtuvas turi būti suprojektuotas taip, kad atskirtų persidengiančius signalus.

5.22. Atsparumas pseudolitų signalams

Deja, ne visi imtuvai gali ir turi priimti pseudolitų signalus. Taigi, imtuvo, suprojektuoto nepriimti pseudolitų signalų, įėjime 60 dB stipresni pseudolitų signalai neturėtų interferuoti su palydovų siunčiamais signalais. Tačiau šis reikalavimas neturėtų būti per daug vertinamas, nes ateityje pseudolitų panaudojimas bus labai platus, ypač oro uosto teritorijose. Tačiau, paseudolitų signalų nenaudosiantys vartotojai vis dėl to turėtų būti susipažinę su pseudolitų signalų slopinamuoju efektu palydovų signalams.

5.23. Nešlio fazės skirtuminė GPS

Kiekviena C/A kodo skiltelė atitinka maždaug 293 metrų ilgį; kiekvienas L1 kodo ciklas atitinka maždaug 19 cm ilgį. Tai yra pagrindiniai dydžiai, kuriuos matuoja GPS imtuvas. Geros kokybės GPS imtuvas gali išmatuoti dydžius su 1% tikslumu. 0,5 metro tikslumo duomenų nustatymas atitinka 1mm paklaida faziniuose matavimuose. Nepaisant tokio didelio nešlio fazės matavimo pranašumo, ši technologija dar labai mažai naudojama dėl sprendinių nevienareikšmiškumo.[2]

5.24. Nešlio fazės nevienareikšmiškumas

C/A kodas sugeneruotas taip, kad būtų išvengta sprendinių nevienareikšmiškumo; kiekviena skiltelė yra unikali ir negali būti supainiota su kaimynine kodo skiltele. Dėl šios priežasties tariamąjį atstumą galima nustatyti tiesiogiai iš C/A kodo. Tačiau nešlio fazės ciklai nėra unikalūs. Kiekvienas ciklas yra lygiai toks pat kaip likę kiti. Imtuvas gali išmatuoti trupmeninę fazės dalį plius sutartą skaičių fazės ciklų. Deja, imtuvas negali nustatyti viso fazių ciklų skaičiaus tariamajame atstume. Šis skaičius, žinomas kaip sveikų ciklo dalių neapibrėžtumas, turi būti randamas remiantis metodais, o ne tiesioginiais matavimais. 16 paveikslėlyje kaip tik ir parodytas toks metodas.

Kai trupmeninė fazės ciklo dalis kerta nulinį lygį į teigiamą arba neigiamą pusę, imtuvas gali didinti arba mažinti sveikų fazės ciklų skaičių. Santykinis nešlio fazės matavimas ir iš momentinio trupmeninės fazės dalies nustatymo ir sveiko fazės ciklų skaičiaus. [29][34]

Nors teoriškai yra įmanoma remiantis nešlio fazės matavimais gauti navigacinius duomenis apie atstumus iki palydovo, praktiškai navigacija remiantis šia technologija yra įgyvendinama kitaip. Atraminė stotis su tiksliai žinomomis savo koordinatėmis matuoja santykinius nešlio fazės atstumus iki kiekvieno matomo palydovo ir siunčia duomenis artimoje zonoje esantiems vartotojams. Vartotojo imtuve surandamas skirtumas tarp atraminės stoties matavimų rezultatų ir imtuvo matavimo rezultatų. Taip suformuojamas visas skirtuminių fazės tariamųjų atstumų matavimų rinkinys:

14)

Čia: - skirtuminis nešlio fazės matavimas palydovui i; - vartotojo imtuvo padėtis; - atraminės stoties padėtis; - vienetinis vektorius nuo imtuvo iki palydovo; - sveikas ciklų skaičius iki palydovo; - skirtuminių matavimų paklaidų suma palydovui i.

19 pav. Nešlio fazės matavimas ir sveikų ciklo dalių nevienareikšmiškumas.

Sveikas ciklų skaičius gali būti nustatytas iš momentinių GPS signalų. Šis dydis nustatomas į pagalbą pasitelkiant kitas priemones. Kai nevienareikšmiškumas yra žinomas, toliau randamas navigacinis sprendinys remiantis žinomais algoritmais.

5.25. Nešlio fazės nevienareikšmiškumo skiriamoji geba

Jei nenaudojami pseudolitai, nešlio fazės nevienareikšmiškumo suradimas įmanomas trimis metodais: paieška, filtravimu ir geometrija. Visi šie metodai prasideda nuo pradinės trajektorijos dalies nustatymo; dažniausiai ji nustatoma remiantis nešlio fazės matavimais. Paieškos ir filtravimo metodams papildomai būtina nustatyti pradinės padėties matavimo paklaidas.[32]

5.26. Nevienareikšmiškumo išsprendimas naudojant pseudolitus

Pseudolitų panaudojimas labai palengvina fazės nevienareikšmiškumo sprendinio radimą. Kai imtuvas kerta pseudolito veikimo zoną „stebėjimo linijos“ vektorius nuo pseudolito iki vartotojo imtuvo keičiasi dideliu kampu. Kampo pasikeitimas nuo 60° iki 90° gali būti pasiektas per labai trumpą laiką. Toks kampo pasikeitimas fazės nevienareikšmiškumo sprendinyje suformuoja geometrinę matricą. DOP reikšmės, rastos iš minėtosios matricos visiškai aprašo tokio sprendinio tikslumą.

Supaprastintas pavyzdys parodytas 17 paveikslėlyje. Laivas plaukdamas į įlanką, praplaukia pseudolito veikimo zoną. Borto įranga pritaikyta CDGPS navigacijai. Laivo borto imtuvas seka GPS palydovų ir pseudolito signalus. Atraminė stotis taip pat seka tuos pačius palydovų signalus ir per duomenų perdavimo liniją perduoda laike pažymėtus vienalaikius matavimus.[28]

20 pav. Nešlio fazės nevienareikšmiškumo sprendinio suradimas pseudolitu.

Laivo imtuvas suranda matavimų duomenų skirtumą tarp savo matavimų ir atraminės stoties matavimų. Vėliau apytiksliai apskaičiuojamos padėties koordinatės. Tuo pat metu laivo imtuvas apskaičiuoja CDGPS trajektoriją, atitinkančią kodo fazės matavimų metu nustatytą trajektoriją. Apskaičiuotoji CDGPS trajektorija yra lygiai tokios pačios formos, kaip ir tikroji laivo judėjimo trajektorija, nustatoma centimetriniu CDGPS matavimų tikslumu. Tačiau, sutampa tik trajektorijų forma. CDGPS matavimais nustatyta trajektorija yra šiek tiek perstumta į vieną ar kitą pusę. Taip yra dėl nežinomo fazės ciklų skaičiaus. Fazės ciklų nustatymo proceso metu bus surastas trajektorijos postūmio vektorius.

Laivui praplaukiant pseudolito veikimo zoną, tiesioginio matomumo vektoriaus kryptis ir dydis labai smarkiai keičiasi. Laivo imtuvas CDGPS trajektorijos nesutapimus palygina su vienalaikiais skirtuminiais nešlio fazės matavimais. Toks palyginimas suteikia galimybę surasti trajektorijos koordinates žinomų pseudolito koordinačių atžvilgiu.

Pavyzdžiui, jei laivo plaukimo trajektorija yra pusapskritimis, kurio centro koordinatės sutampa su pseudolito koordinatėmis, tai skirtuminiai nešlio fazės atstumo iki pseudolito matavimai bus vienodi. CDGPS matavimų metu bus preciziškai tiksliai nustatoma trajektorijos forma- pusapskritimis, tačiau nebus žinomas jo centras. Kuo didesnis pusapskritimio kampas, tuo tikslesni matavimai.

Jei laivas plaukia tiesia linija, kertančia pseudolito veikimo zoną, atstumas iki pseudolito bus parabolinė funkcija. Parabolės centras rodys arčiausio artėjimo link pseudolito liniją, o parabolės forma rodys atstumą nuo pseudolito iki judėjimo linijos. Ir vėl, kuo didesnis tiesioginio pseudolito matymo vektoriaus kampo pasikeitimas, tuo didesnis matavimų tikslumas. Praktiniais eksperimentais nustatyta, kad jei pseudolito tiesioginio matomumo vektoriaus kampas keičiausi daugiau nei 90°, gaunamas kelių centimetrų matavimų tikslumas.

Kol surandamas fazės ciklų nevienareikšmiškumo sprendinys, reikalingi signalai iš mažiausiai keturių orbitose esančių palydovų. Vėliau imtuvui esant pseudolito veikimo zonoje palydovų signalai tampa nebereikalingi.

CDGPS sprendinio tikslumas galioja tik vienoje plokštumoje- tiesioginio matomumo vektoriaus plokštumoje. Vertikalusis laivo padėties matmuo yra kitoje plokštumoje ir nustatomas žymiai netiksliau. Tačiau,laivui tai nėra gyvybiškai svarbu. Tačiau orlaiviui ar kitai transporto priemonei, kuriai reikia tikslių koordinačių trimatėje erdvėje, jau reiktų gauti duomenis iš dviejų ar daugiau pseudolitų.

6. Sinchrolitai

Vietoj naujų signalų, identiškų GPS signalams, generavimo, pseudolitai gali persiųsti koherentišką palydovo signalo kopiją. Tokiu atveju pseudolitas veikia kaip elektroninis veidrodis, atspindintis palydovo signalus iš gerai žinomos antžeminės padėties. Imtuvas gali atskirti tiesioginį palydovo signalą nuo atspindėto signalo ir atlikti skirtumines kodo bei nešlio fazės tariamųjų atstumų matavimus. Visos erdvinės palydovo signalo paklaidos yra pašalinamos, kaip ir kituose LDGPS matavimuose. [28][35]

21 pav. Sinchrolito atspindėtas GPS palydovo signalas.

Pseudolitas, kurio siunčiamieji signalai yra sinchronizuoti su priimamais palydovo signalais, vadinamas sinchronizuotu palydovu- sinchrolitu. Sinchrolito vėlinimo laikas yra žinomas ir gali siekti iki kelių milisekundžių. Paprastos DGPS stoties vėlinimo laikas yra kur kas ilgesnis.

Jeigu sinchrolitas vienu metu atspindi mažiausiai keturių palydovų signalus, vartotojas apskaičiuoti savo tikslias koordinates remdamasis vien sinchrolitu.

6.1. Skirtuminiai sinchrolito matavimai

Vartotojo imtuvas vienu metu gali matuoti tariamuosius atstumus iš tiesiogiai matotmo palydovo signalų ir iš tiksliai žinomų padėties koordinačių antžeminio sinchrolito. Gauti skirtuminiai matavimai pašalina visas su jonosferos vėlinimais susijusias paklaidas. Nepašalinamos tik atspindžių nuo vietovės objektų sukeltos paklaidos.

22 pav. Skirtuminių sinchrolito atstumų matavimai.

Sinchrolito skirtuminio tariamojo atstumo matavimai parodyti 20 paveikslėlyje. GPS palydovas yra pakankamai toli, kad jo signalų frontai žemės paviršiuje būtų lygiagretūs. Geometrinis atstumas nuo palydovo i iki vartotojo per sinchrolitą j yra apskaičiuojamas taip:

(15)

Geometrinis atstumas nuo palydovo iki vartotojo užrašomas taip:

(16)

Antrasis šios lygties dėmuo išreiškia atstumą, priklausantį nuo palydovo ir vartotojo tarpusavio padėties sinchrolito atžvilgiu. Imtuvas matuoja tariamuosius atstumus priklausančius nuo šių atstumų. Kodo fazės matavimais išmatuoti atstumai pasiekiami visada.

(17)

Čia: - skirtuminis tariamasis atstumas nuo palydovo iki sinchrolito, - vienetinis tiesioginio matomumo vektorius nuo palydovo iki vartotojo, - tiesioginio matomumo vektorius nuo sinchrolito iki vartotojo, c- šviesos greitis, - signalo sklidimo pro sinchrolitą laikas, - suminė paklaida, susijusi su skirtuminiais matavimais.

6.2. Sinchrolitų skirtuminė navigacija

Sinchrolito skirtuminė navigacija yra labai panaši į paprastos GPS navigaciją. Tarkime, kad signalas iš palydovo yra atspindimas trijų sinchrolitų.

23 pav. DGPS padėties nustatymas sinchrolitais.

Vartotojo imtuvas priima visą rinkinį skirtuminių pseudoatstumų:

(18)

Kai tiksliai žinomas nešlio fazės nevienareikšmiškumo sprendinys, skirtuminis nešlio fazės tariamasis atstumas nustatomas žymiai tiksliau.

Paskutinę išraišką pertvarkius taip, kad nežinomieji liktų kairėje lygybės pusėje, o žinomieji dydžiai dešinėje, gauname:

(19)

Čia - pataisyta tariamojo atstumo reikšmė nuo sinchrolito j iki vartotojo. Matavimai paremti palydovo I signalais.

Gausime pirminę vartotojo padėties reikšmę . Remiantis žinomomis sinhrolito koordinatėmis ir vėlinimo laiku , nustatome dydžius , ir . Skirtumas tarp nustatyto ir išmatuoto tariamųjų atstumų gali būti išreiškiamas taip:

(20)

Trys ar daugiau šių atstumų gali būti panaudoti suformuojant skaičiavimų matricą:

(21)

Čia:

, ir (22)

Šios matricos, kaip paprastos GPS atveju, sprendžiamos iteracijų būdu. Gautasis sprendinys bus tikrosios padėties vektorius . Viena galima komplikacija yra tai, kad tiesioginio matomumo vektorius iš skirtingų sinchrolitų iki vartotojo gali labai smarkiai keistis. Šie pasikeitimai gali sukurti tam tikrą ribą, už kurios navigaciniai algoritmai tarpusavyje daugiau nebus susiję.

Kiekviena šios matricos eilučių atitinka atskirą skirtuminį matavimą- vieno vienu sinchrolitu atspindėtą vieno palydovo signalą. Šios lygtys gali būti praplėstos pridedant po eilutę kiekvienam galimam matavimui. Galimas matavimų skaičius priklauso nuo visų matomų palydovų ir sinchrolitų skaičiaus ir nuo palydovų signalų skaičiaus atspindėtų vienu sinchrolitu.

Imtuvo kanalų skaičius taip pat turi didelės įtakos matavimams. Šiandieniniai imtuvai dažniausiai būna 12 kanalų, tačiau mūsų atveju geriausiai būtų turėti 48 ar daugiau kanalų imtuvą. Tai reikalinga, kad būtų įmanoma apdoroti visus signalus.[28][37][38]

6.3. Sinchrolitų navigacijos geometrija

Sinchrolitų išsidėstymo įtaką matavimų tikslumui nusakančios matricos sudarymas yra labai panašus į paprastos GPS matricos G sudarymą. Kiekviena paprastos GPS matricos eilutė išreiškia atskirą vienetinį vektorių, o kiekviena sinchrolitų matricos eilutė išreiškia skirtumą tarp dviejų vienetinių vektorių. Šio skirtuminio vektoriaus dydis kinta nuo 2 iki 0. Iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti keista, bet tai įmanoma paaiškinti.

24 pav. PDOP trims optimaliai išdėstytiems pseudolitams

Kai sinchrolitas yra tarp palydovo ir imtuvo, atspindėtas signalas nukeliauja tokį patį atstumą kaip ir tiesioginis palydovo signalas. Išmatuotas skirtuminis atstumas bus lygus 0 esant bet kokiam atstumui iki sinchrolito. Taigi, šis dalinis matavimas navigaciniam sprendiniui suteikia naujos informacijos.

Priešingu atveju, imtuvas yra tarp palydovo ir sinchrolito. Bet koks imtuvo padėties pasikeitimas išilgai šios linijos suformuos lygiai dvigubai didesnį skirtuminį tariamąjį atstumą. Tokiu atveju, geometrinio vektoriaus dydis bus lygus 2.

Kaip ir paprastai GPS, taip ir sinchrolitams gali būti apskaičiuotas geometrinis tikslumo praradimo faktorius. Remiantis ankščiau aptartu trijų sinchrolitų ir vieno palydovo atveju, geriausios DOP reikšmės pasiekiamos, kai sinchrolitai suformuoja lygiakraštį trikampį. Palydovas yra tiesiai virš šio trikampio centro, o imtuvas yra tarp palydovo ir trikampio centro.

Tokiam atvejui DOP reikšmės pavaizduotos 21 paveikslėlyje. Tai yra vartotojo padėties vietos kampo funkcija sinchrolito atžvilgiu.[39][36]

6.4. Sinchrolitų navigacija, kai nežinomi vėlinimų laikai.

Iki šiol tarėme, kad kiekvienam sinchrolitui j jo vėlinimo laikas yra žinomas. Tačiau taip gali būti ne visada arba kalibravimas gali būti ne visiškai tikslus. Jei kiekvienas sinchrolitas atspindi du ar daugiau palydovų signalus ir, jei bendras pasiekiamų signalų kiekis yra pakankamai didelis, tada signalų vėlinimai gali būti apskaičiuojami kaip navigacinio algoritmo dalis.

Tarkime, kad skirtuminių tariamųjų atstumų matavimai yra pasiekiami iš m sinchrolitų, atspindinčių signalus iš n palydovų. Tokiu atveju j=1,20 ir i=m+1,m+2m+n.

Užrašomi patikslinti skirtuminiai tariamieji atstumai:

(23)

Šiuo atveju yra dešinėje lygties pusėje kaip nežinomasis.

Nustatome pradinę padėtį , bei randame vėlinimą .

(24)

Matricos komponentai:

, (25)

Ir:

(26)

Kaip ir ankstesniuoju atveju, ši matrica gali būti išspręsta iteracijų būdu. Rezultatai susideda iš atnaujintų pozicijos ir sinchrolito vėlinimo laiko duomenų. Rezultatų tikslumas priklauso nuo pirminio skirtuminio tariamojo atstumo nustatymo tikslumo ir nuo DOP reikšmių, apskaičiuotų iš aptartosios G matricos.[28]

25 pav. DGPS navigacija su vienu sinchrolitu.

6.5. Matavimai su vienu sinchrolitu.

Vienas sinchrolitas atspindintis keturių GPS palydovų signalus gali būti panaudotas kaip visa CDGPS atraminė stotis. Toks sinchrolito panaudojimas reikalauja atskiro detalaus aptarimo, nes tokia konfigūracija yra paprastesnė ir pigesnė įrengti. 22 paveikslėlyje kaip tik ir pavaizduota tokia sistema.

Trys palydovų signalai yra pakankama, kad būtų galima apskaičiuoti trimatę imtuvo padėtį sinchrolito atžvilgiu, kai tiksliai žinomas vėlinimo laikas . Ketvirtojo palydovo signalai reikalingi minėtam vėlinimo laikui apskaičiuoti. Papildomi atspindėti signalai užtikrina RAIM funkciją. Papildomi palydovų signalai taip pat užtikrina nepertraukiamą sistemos funkcionavimą praradus vieną ar kelis palydovų signalus.

Jei tiksliai žinomas nešlio fazės nevienareikšmiškumų sprendinys, tas pats sinchrolitas gali būti panaudotas ir CDGPS centimetrinio tikslumo navigacijai.

Didelis tokios sistemos pranašumas yra ir tai, kad norint gauti CDGPS tikslumus pakanka vienintelio sinchrolito ir vieno imtuvo. Nebūtinos jokios papildomos duomenų perdavimo linijos ar antenos. Pats sinchrolitas vartotojo imtuvui gali transliuoti duomnų srautus 50-1000 bitų per sekundę sparta viename kanale.

6.6. Matavimai vienu palydovu

Sistema, kai naudojamasi tik vieno palydovo signalais yra atskiras sinchrolitų navigacijos pavyzdys. Įprastinė GPS reikalauja, kad imtuvas gautų signalus mažiausiai iš keturių palydovų. Netgi vieno sinchrolito sistemai reikia mažiausiai trijų palydovų signalų. Tačiau kalnuotose vietovėse ar miestuose su aukštais dangoraižiais kartais neįmanoma gauti signalus iš daugiau kaip vieno palydovo. Taip nutinka dėl riboto dangaus ploto matomumo.

Trys ar daugiau sinchrolitų, atitinkamai pastatytų aplink dominantį plotą įgalina vartotojo imtuvą atlikti CDGPS matavimus remiantis vos vienu palydovu. Mažiausiai trys sinchrolitai turi atspindėti vieno palydovo signalus ir kiekvieno jų vėlinimo laikas turi būti tiksliai žinomas.

Sinchrolitai skirti tokiam darbui turi būti išdėstyti labai kruopščiai.

7. Eksperimentiniai skrydžiai

Šioje tiriamojo darbo ataskaitos dalyje bus įvertinamas centimetrinio lygio tupdymo sistemos tikslumas, taip pat apžvelgti realiame laike vykdytų bandymų rezultatai. Daugelio eksperimentų metu buvo naudojamasi lazeriniais prietaisai, kad būtų įmanoma nustatyti navigacinių jutiklių tikslumą. III kategorijos tūpimams vienos pėdos lazerinių prietaisų tikslumas yra pilnai patenkinamas. Tačiau paaiškėjo, kad IBLS navigacinių jutiklių matavimo tikslumas daugeliu atveju pralenkia net lazerinius prietaisus. [28][31]

7.1. Centimetrinio lygio tikslumo kiekybinis įvertinimas

Sistemos centimetrinio lygio tikslumo kiekybinis įvertinimas nėra tiesioginis, nes kol kas neegzistuoja kitų nepriklausomų pozicijos jutiklių (įskaitant lazerinius), galinčių pakankamai tiksliai įvertinti vienos ar kitos sistemos veikimą. Tačiau, galima pateikti dalinį priemonių, naudotų įvertinti centimetrinį tikslumą, sąrašą:

Pozicijų tikrinimas pagal nepriklausomų GPS jutiklių statinius matavimus.

Nustatytos pozicijos dinaminis palyginimas naudojant GPS su IRU.

7.2. Pozicijų tikrinimas pagal nepriklausomų GPS jutiklių statinius matavimus

Naudojantis šiuo palyginimo metodu kinematiniai pseudolitų duomenys palyginami su statinių jutiklių matavimų rezultatais. Palyginimai vykdomi nusileidus orlaiviui. Visi matavimai atliekamai nustatyto kilimo-tūpimo tako tiksliai žinomų koordinačių atžvilgiu. Taigi, kaip jau buvo ankščiau minėta, tokių dviejų matavimų absoliutus tikslumas yra kelių centimetrų eilės.

7.3. Nustatytos pozicijos dinaminis palyginimas naudojant GPS su IRU

Šis palyginimo metodas tikrina santykinį orlaivio antenos pozicionavimą panaudojant GPS signalus (naudojami pirmiausiai kaip padėties nustatymo priemonė) it tokį pat dydį išmatuotą nepriklausomos IRU sistemos.

Šios dvi palyginimo technikos- viena statinė ir absoliutinė; kita dinaminė ir santykinė- sujungtos tam, kad palaikytų centimetrinio lygio tikslumą naudojant IBLS. Inercinis palyginimas yra vienintelis būdas įsitikinti, kad kinematinis matavimo metodas yra toks pat tikslus kaip ir statinis.

7.4. Piper Dakota eksperimentiniai skrydžiai

Visi šiame skyriuje aprašomi skrydžių bandymai buvo atliekami naudojantis pseudolitų nenutrūkstamai siunčiamais signalais. Signalų stiprumo lygiai buvo labai kruopščiai koordinuojami atsižvelgiant į orlaivio skrydžio trajektoriją. Tai buvo daroma dėl to, kad išvengti pseudolitų siunčiamų signalų interferencijos su palydovų signalais. Tiesioginis to rezultatas yra tai, kad švyturių signalai buvo pakankamai stiprūs detekcijai tik pseudolito veikimo hemisferinėje erdvėje. Tokie signalų lygių apribojimai neatsiliepė IBLS sistemos darbui, nes bet kokie geometriniai pakitimai artėjimo tūpti metu yra atliekami tų hemisferų viduje.

Viena galima tokios sistemos problema yra tai, kad imtuvas aptikti švyturių signalus kelių sekundžių bėgyje iškart po to, kai jie tampa pakankamai stiprūs detekcijai; kitu atveju bus nepastebima per didelis kiekis geometrijos pakitimų ir dviprasmiškumų rezoliucijos procesas gali neįvykti. Kita problema yra tai, kad skirtingai nuo ILS, IBLS sistemai pritaikytas orlaivis negali aptikti antžeminės įrangos signalų iki to laiko, kol jis neįskrenda į pseudolitų veikimo zoną. Tai yra pats paskutinis tūpimo etapas. Tai nėra problema techniniame lygmenyje, tačiau pilotams sukelia didelius nepatogumus ir gali sukelti operacinius ir administracinius nepatogumus.

Paveikslėlyje 4 parodytas Stanfordo Universitetui priklausantis Piper Dakota lėktuvas, kuris ir buvo panaudotas daugelyje IBLS sistemos bandymų. Orlaivio registracijos numeris yra 4341 ir jis buvo pilnai modifikuotas, kad palaikytų galimybę skristi pagal GPS signalus. Ant orlaivio fiuzeliažo įrengtos iš viso 8 GPS antenos, 2 duomenų perdavimo antenos, taip pat standartinė ILS įranga ir kt.

Reflektorius įrengtas ant orlaivio kylio galiuko. Tokia jo padėtis leidžia lazeriniams prietaisui išmatuoti orlaivio poziciją. Lazerinis aukščiamatis įrengtas ant orlaivio pilvo. Toks gerai technine įranga aprūpintas orlaivis buvo naudojamas daugelyje IBLS sistemos vystymo testų. Pirmiausiai du pseudolitai buvo įrengti Palo Alto oro uoste (PAO). Pirmieji skrydžių testai paprasčiausiai fiksavo ir įrašinėjo duomenis iš orlaivio ir diferencinių imtuvų. Vėliau apdorojant šiuos duomenis paaiškėjo, kad visas sistemos veikimas yra patikimas. Vėliau sistemos techninė įranga buvo papildyta duomenų perdavimo linija ir nauja programine įranga.

Pirmieji realiame laike įvykdyti bandymai buvo atlikti 1993 metų liepos 23 dieną. Dakota praskrido pro švyturių veikimo zoną ir saugiai nusileido. Šio bandymo galutiniai rezultatai parodė dviejų centimetrų paklaidą.

Sekantis testas buvo vykdomas tų pačių metų rugpjūčio mėnesį. Šį kartą orlaivio borto aparatūra buvo papildyta lazeriniu aukščiamačiu, kurio pagalba buvo patvirtinta vertikalioji paklaida. Buvo atlikta penkiolika bandomųjų tūpimų. Pagrindinis skirtumas tarp IBLS nustatytos pozicijos ir lazerinio aukščiamačio duomenų buvo vos 1,5 centimetro, kai standartinė deviacija tesiekė 7 centimetrus. Lazerio absoliutus tikslumas buvo 5 centimetrai. [28]

26 pav. Pirmasis orlaivio tūpimas su IBLS sistema

Dar po keleto įrangos patobulinimų, tuo metu vadinama kinematinė GPS tupdymo sistema, buvo pasirengusi dar tikslesniems bandymams. NASA vadovybė leido IBLS bandymų komandai atlikti eksperimentus agentūrai priklausančiame oro uoste, kur buvo įrengta dviguba radaro ir lazerinė matavimo įranga. Tikslas buvo išmatuoti dinaminę IBLS sistemos paklaidą, esant normalios skrydžio sąlygoms. Nustatytas lazerio tikslumas buvo apie vieną pėdą, o bandymų rezultatai ir buvo panašaus dydžio.

7.5. BEECHCRAFT KING AIR eksperimentiniai skrydžiai

Tuo metu, kai buvo atlikinėjami šie eksperimentai, buvo naudojamasi griozdiškais pseudolitų pirmtakais, reikalaujančiais 110 kW energijos. Tokį galingumą plyname lauke buvo pakankamai sunku išgauti. Dėl to kilo noras panaudoti jau ankščiau aprašytus nedidelius patobulintus pseudolitus. Tokie pseudolitai buvo dalis naujų testų programos. Šie bandymai buvo atlikinėjami jau 1994 metų liepos mėnesį Niu Džersyje. Šių bandymų metu IBLS pozicijos signalai buvo naudojami vesti orlaivį beveiki iki pat kilimo tūpimo tako dangos. Ši nauja IBLS versija buvo įrengta BEECHCRAFT KING AIR orlaivyje, priklausančiame FAA. Šių bandymų metu, visi gauti navigaciniai duomenys buvo persiunčiami orlaiviui, kuriame jie būdavo konvertuojami į skaitmeninį avionikos įrangai suprantamą formatą ir pateikiami autopilotui, kaip standartiniai ILS signalai.

27 pav. IBLS bandymai

Minėtojo orlaivio autopilotas buvo sukonstruotas sekti ILS signalus tūpimo metu pagal pirmos kategorijos apsisprendimo aukščio reikalavimus. Tai yra 200 pėdų aukštyje pilotas turi apsispręsti dėl nusileidimo ir perimti orlaivio valdymą į savo rankas.

Toks valdymo būdas buvo vadinamas automatinio sudvejinimo tūpimas. 1994 metais oficialių bandymų metu buvo atlikta 49 tokie tūpimai naudojantis IBLS. Visi jie buvo sėkmingi. IBLS formuojami signalai buvo tokie patikimi, kad lakūnas bandytojas pagal šiuos signalus leido autopilotui kontroliuoti orlaivio valdymą net iki 20 pėdų aukščio. O tai jau viršija net III kategorijos reikalavimus. Visi lakūnai išbandę šią sistemą vienbalsiai sutiko, kad IBLS yra žymiai patikimesnė už ILS.

Lazerinis orlaivio sekimas patvirtino prognozuotą IBLS tikslumą. Skirtumai tarp IBLS ir lazerinių prietaisų tikslumų vadinama navigacinių jutiklių paklaida (NSE). NSE paklaidos išilginių, skersinių ir aukščio koordinačių reikšmės siekė 0.5 m, 0.3 m ir 0.6 m atitinkamai. [28]

7.6. BOEING 737 eksperimentiniai skrydžiai

Žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotas BOEING 737 orlaivis, kurį FAA išsinuomavo iš Jungtinių Amerikos Valstijų avialinijų, siekdama IBLS sistemos tinkamumą tupdymui išbandyti ir komerciniams orlaiviams. Buvo atlikta iš viso 110 pilnai automatinių tūpimų su šiuo orlaiviu. Visi jie buvo sėkmingi, išskyrus vieną, kai tūpimas buvo nutrauktas padingus palydovų signalams. Tačiau, IBLS sėkmingai aptiko šią anomaliją.

Automatinio tupdymo sistemos turi saugiai nuvesti orlaivį iki apibrėžto ploto ant kilimo tūpimo tako. Paveikslėlyje 8 pavaizduotos konkrečios bandymų orlaivių prižemėjimo koordinatės. Visų 110 nusileidimų vietos turi tilpti į ICAO nustatytų konkrečių matmenų „dėžutę“, kurioje yra 95% visų nusileidimų atvejų. Tiesą sakant, nubrėžus tokio tipo dėžutę aplink IBLS sistemos bandymų nusileidimų taškus, minėtosios dėžutės matmenys būtų dvigubai mažesni visose dimensijose. Visi šie duomenys buvo gauti per keturias dienas vykusius bandymus. Vieną dieną šoninio vėjo stiprumas žymiai viršijo automatinio tupdymo saugumo reikalavimus, tačiau net ir tokiomis meteorologinėmis sąlygomis buvo saugiai nusileista. Tokie rezultatai tik įrodo IBLS sistemos potencialą tapti ateities orlaivių tupdymo sistema.

28 pav. Vienas iš 110 automatinių BOEING 737 nusileidimų

Tokios tupdymo sistemos konfigūracija pavaizduota 7 paveikslėlyje. Naudojama viena pora standartinių ARINC 743 GPS antenų, kurios sumontuotos ant orlaivio fiuzeliažo. TRIMBLE TANS GPS imtuvas priimtus navigacinius duomenis persiunčia navigaciniam procesoriui. Fazės matavimų duomenys sujungti su duomenimis atsiųstais labai aukštų dažnių radijo signalų perdavimo kanalais suteikia visą reikiamą informaciją, kurią IBLS sistema naudoja ypatingai tiksliems padėties nustatymo skaičiavimams. Tokie duomenys dar papildomi navigaciniais duomenimis gaunamais iš inercinės sistemos.

29 pav. BOEING 737 IBLS borto įranga

Navigacinis kompiuteris siunčia analoginius signalus apie kursą ir glisadą autopilotui.

30 pav. BOEING 737 nusileidimų dispersija

31 pav. Absoliutinė vertikalioji paklaida BEECHCRAFT KING AIR bandymų metu

8. Navigacinis sprendinys (dvimatis pavyzdys)

8.1. Simetrinio sprendinio pavyzdys, kai naudojami antžeminiai siųstuvai

Šiuo atveju imtuvas ir du siųstuvai yra išdėstyti vienoje plokštumoje. Siųstuvų koordinatės ir . Atstumai ir apskaičiuojami taip:

(27)

Čia: - šviesos greitis; - laikas, per kurį pirmojo siųstuvo radijo signalai nukeliauja iki pirmojo imtuvo; - laikas, per kurį pirmojo siųstuvo radijo signalai nukeliauja iki antrojo imtuvo; - imtuvo koordinatės.

Atstumas iki kiekvieno siųstuvo išreiškiamas:

(28)

ir išskleidus Teiloro eilute:

(29)

32 pav. Simetrinio sprendinio pavyzdys, kai naudojami antžeminiai siųstuvai

Taigi, simetriniu atveju:

(30)

Kad gautume minimalių kvadratų sprendinį reikia atlikti tokius skaičiavimus:

(31)

Kai:

(32)

Atlikus reikiamus skaičiavimus gaunami tokie sprendiniai:

; (33)

Navigacinio sprendinio radimo procedūra

Tarkime, kad yra duotos siųstuvų koordinatės ir . Taip pat žinomi signalų sklidimo nuo siųstuvų iki imtuvų laikai ir . Užduotis pakankamai paprasta- surasti imtuvo koordinates ir . Tarkime, kad imtuvo koordinatės sutampa su pradinėmis koordinatėmis:

; (34)

Apskaičiuojamos atstumų paklaidos:

(35)

Apskaičiuojamas kampas:

arba (36)

Surandamos imtuvo padėties korekcijos:

(37)

Turint pataisų reikšmes apskaičiuojamos naujos koordinatės:

ir (38)

Korekcijų skaičiavimai atliekami pagal šias išraiškas:

(39)

Galiausiai korekcijos išreiškiamos paprastesne forma:

(40)

8.2. Palydovų pasirinkimas ir tikslumo praradimo faktorius

Kaip ir antžeminiu atveju, geresnis tikslumas pasiekiamas, kai siųstuvai yra plačiai pasiskirstę erdvėje. Pavyzdžiui, jei atstumų matavimai atliekami keturių į grupelę susitelkusių palydovų atžvilgiu, išmatuotieji atstumai iki minėtųjų palydovų bus apytiksliai lygūs. Toks efektas, atsirandantis dėl palydovų išsidėstymo geometrijos vadinamas tikslumo praradimo faktoriumi (angl. DOP- Dilution of Precision). Tai reiškia, kad ir kitų paklaidų dydžiai (laiko skalių nesutapimai ir kt.) taip pat yra įtakojami geometrinio faktoriaus. Siekiant išsiaiškinti geriausią palydovų išsidėstymą, kurio metu bus atliekami padėties nustatymo skaičiavimai, pirmiausiai būtina apskaičiuoti DOP reikšmes. [2][ 24]

Trimatės kiekvieno stebimo palydovo su žinomomis koordinatėmis () ir nežinomomis stebėtojo koordinatėmis () išraiškos atrodo taip:

(41)

Tarkime, kad atstumo vektorius yra netiesinė keturmačio vektoriaus funkcija, iliustruojanti imtuvo padėties ir laiko skalių paklaidas. Išskleidus Teiloro eilute gauname:

(42)

33 pav. Iteracijų rezultatai.

- vartotojo antenos padėties rytinis komponentas;

- vartotojo antenos padėties šiaurinis komponentas;

- vartotojo antenos padėties vertikalusis komponentas;

- imtuvo laiko paklaida;

Toliau gauname:

, (43)

Toliau gauname:

(44)

, , (45)

Čia - pirmasis Teiloro eilutės narys.

(46)

Čia: - imtuvo matavimų triukšmai.

Šio vektoriaus išraiška galėtų būti įrašyta skaliarinėje formoje, kai i- palydovo numeris:

(47)

(48)

(49)

Čia: i =1,2,3,4 (t.y. keturi palydovai).

Tačiau, šios išraiškos gali būti pateiktos ir matricos pavidalu:

(50)

Šią nepatogią išraišką galime užrašyti supaprastinta simboline forma:

(51)

Kad apskaičiuoti , mums reikia žinoti palydovų koordinates ir apytikrę vartotojo imtuvo padėtį:

(52)

Kad apskaičiuoti geometrinio tikslumo praradimo faktoriaus reikšmę (GDOP) mums reikia atlikti tokius skaičiavimus:

(53)

ir yra žinomi iš tariamojo atstumo, palydovų padėties ir vartotojo imtuvo padėčių skaičiavimų. korekcijos vektorius yra nežinomas.

Jei paskutiniosios lygties abi puses padaugintume iš gautume:

(54)

Gautą išraišką dar kartą padauginę iš gauname:

(55)

Paklaidų kovariacija:

(56)

Tariamųjų atstumų matavimų kovariacija:

(57)

Toliau gauname:

( 58)

Kai:

(59)

Ir:

Tokiu atveju kovariacinė matrica įgauna tokį pavidalą:

(60)

Iš gautos matricos mus konkrečiai domina tik įstrižainės elementai:

(61)

Čia:

(geometrinis DOP) (62)

  (padėties DOP) (63)

(horizontalusis DOP) (64)

(vertikalusis DOP) (65)

(laiko DOP) (66)

8.3. Tipiško GDOP skaičiavimo pavyzdys. Keturių palydovų atvejis

Geriausias matavimų tikslumas gaunamas, kai stebimi trys minimalu kampu virš horizonto pakilę palydovai, o ketvirtasis yra zenite.

Tokio palydovų išsidėstymo geometrijos atveju reikšmės gaunamos tokios:

(67)

Tokio atvejo GDOP skaičiavimo pavyzdys:

(68)

8.4. GPS nustatytos padėties duomenų transformavimas

Atraminė koordinačių sistema naudojama GPS matavimuose vadinama ECEF (Earth centered- Earth fixed). Šioje koordinačių sistemoje panaudojamos trimatės XYZ koordinatės (metrais), aprašančios GPS palydovo arba imtuvo padėtį. Sąvoka „Žemės centro“ reiškia, kad koordinačių sistemos pradžia sutampa su Žemės masių centru (0,0,0). Sąvoka „susieta su Žemės centru“ reiškia, kad koordinačių sistemos ašys yra susietos su tam tikrai žemės taškais ir sukasi kartu su ja aplink Z ašį. XY plokštuma sutampa su ekvatoriaus plokštuma. [22][25]

34 pav. ECEF koordinačių sistemos ašys.

Dėl sudėtingos Žemės formos (reljefo nelygumai) yra būtinas paprastas, bet tuo pačiu ir pakankamai tikslus Žemės paviršių aprašantis aproksimavimo metodas. Atraminių elipsoidų panaudojimas suteikia galimybę ECEF koordinates paversti į priimtinesnes koordinates, aprašant jas kaip ilgumą, platumą ir aukštį (LLA).

Atraminis elipsoidas gali būti apibūdintas visa eile parametrų, apibrėžiančių jo formą. Tačiau, pagrindiniai parametrai yra didysis ir mažasis pusašiai, pirmasis ekscentricitetas ir antrasis ekscentricitetas. Šie pagrindiniai parametrai parodyti 35 paveikslėlyje. Priklausomai nuo situacijos, kartais gali būti naudojamas ir elipsoido plokštumą nusakantis parametras f.

Visuotinėms reikmėms GPS sistema naudoja WGS-84 koordinačių sistemą. Šios koordinačių sistemos pradžia sutampa su ECEF koordinačių sistemos pradžia. X ašis kerta Grinvičo juostą (ilguma- 0°), o XY ašys sutampa su ekvatoriaus plokštuma (platuma- 0°). Aukštis išreiškiamas kaip statmuo į elipsoido paviršių, tačiau aukščio nereikėtų painioti su duomenimis nuo jūros lygio.

8.5. Koordinačių transformavimas tarp ECEF ir LLA. Vertimas iš LLA į ECEF

Koordinačių duomenų pervertimas iš vienos koordinačių sistemos į kitą atliekamas į pagalbą pasitelkiant paprastas matematines formules. Šiems duomenų pervertimams galima naudoti ir iteracijų metodus. Pagrindinės matematinės formulės, kurių pagalba atliekamai duomenų transformavimai:

(69)

Čia:

- platuma, - ilguma, h- aukštis virš elipsoido (metrais), N- kreivumo spindulys metrais, išreiškiamas kaip: .[25][26]

WGS-84 parametrai: 

35 pav. Elipsoido parametrai.

36 pav. ECEF ir atraminis elipsoidas

8.6. Vertimas iš ECEF į LLA

Koordinačių vertimas iš ECEF į LLA yra kur kas sudėtingesnis negu ankščiau aptartasis variantas. Tokiems koordinačių transformavimams naudojami keli metodai. Pirmasis metodas- iteracijų metodas. Skaičiavimai pradedami nuo .

(70)

Pradedama nuo

(71)

Kartojama ir h

(72)

Kitas metodas yra panaudoti paprastas matematines formules.

(73),(74),(75)

Čia papildomų kintamųjų reikšmės yra:

(76), (77)

8.7. GPS aukščiai

GPS matavimų metu nustatyti aukščiai yra susieti su aukščiu virš atraminio elipsoido. Tokie matavimų rezultatai negali būti maišomi su aukščiu virš jūros lygio. Aukščio duomenys susiję nuo jūros lygio (dar vadinama geoidu) yra gaunami kur kas sudėtingesniu būdu. Tokiems duomenims gauti reikalingi tikslūs duomenys apie Žemės gravitaciją duotame paviršiaus taške. WGS-84 elipsoidas aproksimuoja atraminį geoidą visame pasaulyje su ne didesniu kaip 100 metrų tikslumu. Transformacijos tarp šių dviejų paviršių pavaizduotos 37 paveikslėlyje.

37 pav. Ryšys tarp atraminio elipsoido, geoido ir Žemės paviršiaus.

Duomenų pervertimas iš vienos atraminės sistemos į kitą gali būti atliekamas:

(78)

Čia: h- elipsoidinis aukštis (geodezinis), H- ortometrinis aukštis (aukštis nuo jūros lygio), N- geoido banguotumas, - vertikalės nuokrypis.

Nors transformavimas tarp skirtingų aukščių yra nesudėtingas, tikslumas, kai banguotumas N yra nežinomas, gali keistis labai plačiose ribose. Tokia problema ypač aktuali kalnuotose vietovėse, kur masės pasiskirstymas gali keistis šuoliškai. [26]

8.8. Koordinačių transformavimas tarp skirtingų atraminių sistemų

Pasaulyje dabar naudojama labai daug atraminių elipsoidų. Taip yra dėl labai paprastos priežasties. Pasirenkant kitą, ne WGS-84 atraminį elipsoidą siekiama sumažinti vietinius skirtumus tarp geoido ir elipsoido. 3 lentelėje pateikiama keletas atraminių elipsoidų, naudojamų pasaulyje.

3 lentelė. Atraminiai elipsoidai

8.9. Duomenų vertimas

Dauguma pasaulyje naudojamų koordinačių sistemų remiasi elipsoidais, kurių parametrai pavaizduoti 3 lentelėje. Tačiau, šios koordinačių sistemos pradžios nebūtinai sutampa. Taip yra todėl, kad Žemės masių centras ir ECEF koordinačių sistema nesutampa su elipsoido centru. Tokia padėtis reikalauja specialių duomenų transformavimo metodų, reikalingų skaičiuojant geodezinę padėtį ir greičius. Siekiant ECEF koordinates paversti į geodezines koordinates reikia atlikti tokius veiksmus:

(79)

8.10. Palydovinių sistemų įdiegimo Vilniaus Tarptautiniame oro uoste galimybės ir ribojančių faktorių analizė

Kaip jau buvo minėta ankstesniuose skyriuose, egzistuojančiomis pavienėmis palydovinėmis sistemomis – amerikiečių GPS, rusų GLONASS, Europos GALILEO, kol kas negalima remtis kaip patikimomis padėties nustatymo orlaiviui tupiant, sistemomis. Dėl jonosferos reiškinių, oro uosto geografinės padėties ir kitų priežasčių pozicijos koordinatės gaunamos su nemaža paklaida. Juolab, kol kas iki galo neišspręstas nuolatinio kokybiško ryšio su reikiamu palydovų skaičiumi klausimas.

8.11. Tikslumo praradimo faktorius

GPS matavimų tikslumas priklauso nuo daugybės faktorių. Net naudojantis vien standartine SPS paslauga (Standard Position Service) atsakymas bus tas pats- tikslumą lemia daugybė faktorių.

Nustatant SPS, matavimų tikslumas gaunamas minimalaus galimo lygio ribose, tai yra, tikslumas bus ne blogesnis nei numatytas tam tikras lygis konkrečiu laiko momentu. Bet kuriame žemės paviršiaus taške matavimų tikslumas horizontalioje plokštumoje bus lygus arba mažesnis už 100 metrų (kai įjungta SA). Tai reiškia, kad per 24 valandų periodą išmatuotos GPS koordinatės bus ne toliau kaip per 100 metrų nuo tikrųjų taško koordinačių. Atitinkamas vertikalusis tikslumas- 156 metrai, o laiko tikslumas- 340 nanosekundžių.

Tokie duomenys turi būti, kai orbitoje veikia visi 24 palydovai, apžvalgos aukščio ribotumas siekia 5° be papildomų trukdžių, gaunami nenutrūkstantys signalai, mažiausiai, iš 4 palydovų, kurių geometrinis tikslumo praradimo faktorius ne didesnis kaip 6. Taigi, iš to seka, kad, priklausomai nuo stebėjimo padėties arba nuo paros laiko, kis ir matavimų tikslumai. Kalnuotose vietovėse arba miestuose su aukštais pastatais galime susidurti su situacija, kai tiesioginio matomumo zonoje nebus reikiamų keturių palydovų arba PDOP (angl. „Position Dilution Of Precision“) bus žymiai didesnis už 6.

Realaus tikslumo nepastovumas priklausomai nuo stebėjimo taško koordinačių arba paros laiko, yra dominuojantis tikslumo praradimo efektas dėl geometrinio faktoriaus. Šio faktoriaus sandauga su matavimų paklaidomis ir kitomis paklaidomis duoda bendrąją koordinačių paklaidą.

8.12. Geometrija

Įsivaizduokime navigacinę sistemą, kurioje vienas imtuvas matuoja atstumus iki dviejų antžeminių siųstuvų. Matavimai atliekami norint nustatyti imtuvo plokštumines koordinates. Imtuvas pastatytas taške, apibrėžtame dviejų apskritimų sankirta. Minėtųjų apskritimų centrai sutampa su siųstuvų koordinatėmis (žr. 1 paveikslėlį). Kaip matome imtuvo matavimuose yra šioks toks netikslumas. Neteisingai (netiksliai) išmatuotas atstumas iki siųstuvų daro neigiamą poveikį ir koordinačių skaičiavimams.[30]

38 pav. Siųstuvų padėties įtaka matavimo tikslumui.

(1a) paveikslėlyje siųstuvai iš imtuvo „matomi“ ~90° kampu. Tokia jų padėtis suteikia palyginus nedidelį padėties reikšmių nustatymo plotą, kuriame turėtų būti imtuvas. Abu siųstuvai yra simetriškai priešingose imtuvo atžvilgiu pusėse, tad imtuvo X ir Y koordinatės bus apskaičiuojamos su vienodu tikslumu. (1b) paveikslėlyje siųstuvai imtuvo atžvilgiu yra išdėstyti mažesniu kampu, kas savo ruožtu duoda žymiai didesnį galimų sprendimų plotą. Tokiu atveju imtuvo Y koordinatės bus apskaičiuojamos su mažesniu tikslumu negu X koordinatės.

Analogiškai geometrijos įtakos efektą galima išanalizuoti ir GPS sistemai.

8.13. Vartotojo tikslumo paklaida (UERE)

UERE- (angl. „User Equivalent Range Error“). Kaip žinome iš GPS veikimo principų, dydis apibūdinamas kaip tariamųjų atstumų matavimų standartinė paklaida.

SPS režime pilnoji UERE paklaida yra apie 25 metrus. Tačiau, išjungus SA funkciją, UERE paklaida sumažėjo iki 5 metrų. Didžiąją jos reikšmės dalį sudaro paklaidos, atsirandančios dėl jonosferos vėlinimo ir paklaidos, atsirandančios dėl signalų atspindžių. Vartotojai, besinaudojantys dviejų dažnių imtuvu, turi galimybę iš tariamųjų atstumų matavimų pašalinti paklaidas, atsirandančias dėl jonosferos įtakos. Tokiu būdu dar labiau sumažinama UERE paklaida. Ateityje, naudojant papildomą civilinį GPS nešantįjį dažnį, visi vartotojai turės vienodas galimybes kompensuoti jonosferos paklaidas.

8.14. Įvairūs tikslumo praradimo faktoriai (DOP)

Turint reikšmę, galime apskaičiuoti matricos komponentus. Atlikus visus skaičiavimus, tampa įmanoma įvertinti bendrą vidutinių kvadratų sprendinio tikslumą. Tai atliekama tokiu būdu:

(80)

Čia: , , - imtuvo koordinačių įvertinimo rytinio, šiaurinio ir vertikalaus komponentų dispersija, - imtuvo laiko skalės dispersija. Jeigu sprendinio algoritmas parametrizuotas stačiakampėje koordinačių sistemoje, vietinėje koordinačių sistemoje naudojamas tiesioginis kovariacinės matricos sprendinių transformavimo metodas. Šis sprendinio tikslumo įvertinimas tapatus tariamojo atstumo matavimui. Matricos D elementai- tai funkcija priklausanti nuo tarpusavio geometrijos tarp palydovo ir imtuvo. Mastelį įvertinantis koeficientas paprastai būna didesnis už 1. Šis koeficientas padidina matavimų paklaidą, tuo pačiu sumažindamas koordinačių apskaičiavimo tikslumą. Dėl šios priežasties šis mastelį nusakantis koeficientas paprastai vadinamas geometriniu tikslumo sumažėjimu (GDOP).

Be bendrojo sprendinio kokybės įvertinimo mums dar gali prireikti ir atskirų komponentų tikslumų įvertinimo (trimatės koordinatės ir laiko nesutapimai). Kad būtų gauti atskirų netikslumų įvertinimai, atliekami tokie skaičiavimai:

(81)

Kiekvienam šių paklaidų matavimui mes galime nusistatyti atitinkamus DOP dydžius (horizontaliai ir vertikaliai koordinačių dedamajai ir laikui):

(82)

(83)

Svarbu paminėti, kad ir . Šios išraiškos labai praverčia siekiant išsiaiškinti tarpusavio sąryšius tarp įvairių DOP. Kadangi įvairūs DOP yra funkcijos, priklausančios nuo imtuvo ir palydovų tarpusavio padėties , jie gali būti apskaičiuoti panaudojus palydovų almanachą bet kokiam palydovų rinkiniui, matomam iš taško, kurio atžvilgiu atliekami skaičiavimai.

Jei imtuvas-palydovas vektoriai yra vienoje plokštumoje, DOP bus be galo didelis. Faktiškai, esant tokiam palydovų išsidėstymui yra neįmanomas koordinačių matavimas. DOP reikšmės bus žymiai mažesnės (o tuo pačiu padidės ir matavimų tikslumas), kai palydovai bus išsibarstę po visą dangų.

8.15. HDOP ir VDOP palyginimas

Paprastai, kuo daugiau palydovų signalų naudojama skaičiavimuose, tuo mažesnė gaunama DOP reikšmė, o tuo pačiu gaunamos mažesnės paklaidos. Žemiau pateikti paveikslėliai iliustruojantys DOP reikšmes paros bėgyje virš Vilniaus oro uosto. Paprastai HDOP reikšmės svyruoja tarp 1 ir 2. VDOP reikšmės būna didesnės už HDOP reikšmes, tad ir vertikalių koordinačių nustatymo tikslumas būna mažesnis už horizontalių koordinačių. Toks efektas gaunamas todėl, kad palydovai, iš kurių gauname signalą, yra aukščiau imtuvo. Horizontalių koordinačių nustatymas nesusiduria su tokiu efektu, nes paprastai signalus gauname iš palydovų, esančių skirtingose pusėse.

Jei žemės paviršius būtų permatomas radijo signalams, vertikaliąją dedamąją galėtumėme nustatinėti tokiu pačiu tikslumu kaip ir horizontaliąją. Vertikalių matavimų tikslumą galima padidinti naudojant GPS imtuvą su labai tiksliu laikrodžiu, arba jei labai tiksliai žinomas laiko skalių nesutapimas tarp vartotojo ir GPS palydovo.

DOP dydžiui įtaką daro ir stebėtojo geografinės padėties platuma. Nesutapimai tarp HDOP ir VDOP labiau išryškėja šiauriausiose ir piečiausiose planetos platumose. Taip yra dėl to, kad tose vietose stebima labai mažai zenite esančių palydovų. Tokie apribojimai atsiranda dėl to, kad GPS palydovų orbitų polinkis sudaro apie 55°, o tai reiškia, kad niekada nepamatysite virš savęs palydovo, jei esate šiauriau arba piečiau 55°. Šiaurės ir pietų poliuose aukščiausias galimas palydovo vietos kampas yra 45°.

Taigi, kaip matome, Lietuvoje dar galima tikėtis neblogų VDOP rezultatų.

Jei stebėjimo vietos kampą apribotume iki 15° ir tuo metu stebėti tik keturis palydovus (tuos, kurie užtikrina mažiausias DOP reikšmes), mes pastebėsim, kad tuo metu, kai HDOP reikšmė tesiekia dydžius nuo vieno iki dviejų, VDOP reikšmė gali pakilti iki 7. tai nekeista, nes galime apdoroti tik tų palydovų signalus, kurie pakilę vos per 30 laipsnių. Ar blogai yra turėti tokią VDOP reikšmę? Jei UERE paklaida siekia 25 metrus, vidutinė kvadratinė vertikalioji paklaida turėtų būti apie 175 metrus. Sumažinus stebėjimo vietos kampo ribą iki 5 laipsnių, VDOP sumažėja net kelis kartus.

Tačiau didelė DOP reikšmė gali būti pasiekta ir vidutinėse platumose. Tai gali atsitikti tiems imtuvams, kurie gali stebėti visus matomus palydovus. Kai kuriose vietovėse (pavyzdžiui miškingose) GPS imtuvo antena dėl iškilusių kliūčių negali priimti signalų iš visų pusių. Jei priimame signalą tik iš apriboto dangaus ploto, DOP reikšmė bus didelė, matavimų tikslumas mažas.

4 lentelė. DOP reikšmių įvertinimai

9. GPS matavimų paklaidos Vilniaus oro uosto zonoje

Siekiant išsiaiškinti palydovinių sistemų panaudojimo galimybes orlaivių tupdymo sistemoms Lietuvoje, specialia programine įranga (TRIMBLE OFFICE) buvo atlikta dviejų tipų modeliavimai. Pirmuoju atveju buvo nustatoma matomų palydovų skaičius ir DOP reikšmės vien tik GPS sistemai. Antruoju atveju tie patys skaičiavimai buvo atlikti integruotai GPS ir GLONASS sistemai. Iš paveikslėliuose pateiktų rezultatų galima padaryti išvadą, kad orlaivių tupdymui kur kas geriau pritaikyti integruotą GPS ir GLONASS sistemą. Tokiu atveju stebimų palydovų skaičius kai kuriuose paros intervaluose padidėja iki 14. Tuo pačiu sumažinamos DOP reikšmės, o tai savo ruožtu padidina matavimų tikslumą.[3][2][25]

Visi stebėjimai buvo atliekami 2005 balandžio 7 dieną. Pirmiausia buvo nustatytas matomų palydovų skaičiaus kitimas paros bėgyje. 40 paveikslėlyje parodytas matomų GPS ir GLONASS palydovų skaičiaus kitimas priklausomai nuo paros laiko.

41 paveikslėlyje pateikiamos konkrečių DOP diagramos. Nesunku pastebėti, kad, padidėjus matomų palydovų skaičiui, žymiai sumažėja DOP reikšmės. Tokiu būdu gaunami tikslesni matavimų rezultatai.

39 pav. Pagrindinis TRIMBLE OFFICE programos darbo langas ir stebėjimų taško koordinačių pasirinkimas.

40 pav. Matomų GPS ir GLONASS palydovų skaičiaus kitimas virš Vilniaus paros bėgyje. 1 kreivė rodo bendrą GPS ir GLONASS palydovų skaičių, 2 kreivė rodo tik GPS palydovų skaičių.

41 pav. Konkrečios DOP reikšmės Vilniaus oro uostui 2005 04 07.

a)      VDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

b)      HDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

c)      PDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

d)      VDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS su GLONASS)

e)      HDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS ir GLONASS)

f)        PDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS ir GLONASS)

9.1. Pseudolito padėties Vilniaus Tarptautiniame oro uoste parinkimas

Kaip jau buvo minėta ankstesniuose skyriuose, pseudolito įrengimas oro uosto zonoje žymiai padidina navigacinių matavimų tikslumą. Išsiaiškinus paros bėgyje matomų navigacinių palydovų skaičių virš Vilniaus oro uosto, tapo aišku, kad be papildomų tikslumą gerinančių priemonių, orlaivių tupdymas remiantis palydovinėmis sistemomis būtų neįmanomas. Vien tik GPS sistemos teikiamas matavimų tikslumas tenkina tik artėjimo tūpti pagal pirmą kategoriją reikalavimus. Vertikaliojo matavimų dėmens tikslumas nė iš tolo neprilygsta ICAO reikalavimams. Tad, siekiant palydovines sistemas pritaikyti orlaivių tupdymui Vilniaus oro uoste, visiškai suprantama būtinybė įrengti vieną ar keletą pseudolitų.

Šios darbo dalies tikslas buvo išsiaiškinti, kokio tikslumo galima tikėtis iš GPS sistemos papildant ją antžeminiais pseudolitais, įrengtais šalia Vilniaus oro uosto. Pagal ankstesniuose skyriuose aptartą DOP skaičiavimo metodiką, MatLab terpėje buvo sudarytas specialus algoritmas, skaičiuojantis geometrinio tikslumo praradimo faktoriaus reikšmes priklausomai nuo palydovų ir imtuvo tarpusavio padėties. Tas pats algoritmas pritaikytas ir palydovų bei pseudolito atvejui.

Skaičiavimų algoritmas

clc

format short e 

% Vercia LLA koordinates i ECEF koordinates

platstart=54.45694444  %platumos koordinaciu pradzia

platpab=54.81138889  %platumos koordinaciu pabaiga

hhh=25.4125

for ggg=platstart:0.01107639:platpab  %platumos koordinates keiciamos ciklo pagalba

platuma=ggg

ilguma=hhh

n=6378137/sqrt(1-0.006694^2*sin(platuma)*sin(platuma))  %surandama N reiksme

x1=(n+100)*cos(platuma)*cos(ilguma)  %ECEF koordinaciu sistemos X koordinate

y1=(n+100)*cos(platuma)*sin(ilguma) %ECEF koordinaciu sistemos Y koordinate

z1=(0.993306*n+100)*sin(platuma)  %ECEF koordinaciu sistemos Z koordinate

siust(1,1:3)=[-3647600.556, 5168011.793, 958811.6497]; % metrai

siust(2,1:3)=[107648.4202, -2595944.864, 5827564.679]; % metrai

siust(3,1:3)=[x1, y1, z1];  % metrai

siust(4,1:3)=[3989323.447, 586539.2846, 4950748.984]; % metrai

% GPS imtuvo koordinates

imtuv(1,1:3)=[-2065252.171, -333950.7922, -6005170.944]; % metrai

% Pseudo-Atstumai

for i=1:4

r(i)=sqrt((veh(i,1)-rcvr(1,1))^2 + (veh(i,2)-rcvr(1,2))^2 + (veh(i,3)-rcvr(1,3))^2);

Dx(i)=(siust(i,1)-imtuv(1,1))/r(i);

Dy(i)=(siust(i,2)-imtuv(1,2))/r(i);

Dz(i)=(siust(i,3)-imtuv(1,3))/r(i);

Dt(i)=-1;

end

% Sudaroma kovariacine matrica

A=zeros(4);

for n=1:4

A(n,1)=Dx(n);

A(n,2)=Dy(n);

A(n,3)=Dz(n);

A(n,4)=Dt(n);

end

B=transpose(A);

C=B*A;

D=inv(C)

% Suskaiciuojamos DOP reiksmes is kovariacines matricos

GDOP=sqrt(D(1,1) + D(2,2) + D(3,3) + D(4,4))

PDOP=sqrt(D(1,1) + D(2,2) + D(3,3))

HDOP=sqrt(D(1,1) + D(2,2))

VDOP=sqrt(D(3,3))

[ilguma,platuma, GDOP, HDOP, VDOP]

end

end

Sudarius algoritmą, programoje GPS2.4 buvo surastos palydovų koordinatės. Jos EXEL pakete sudarytos programos pagalba buvo verčiamos į ECEF koordinačių sistemą ir kaip pradiniai duomenys keliami į MatLab terpę. Kad išsiaiskinti geriausią vieno pseudolito pastatymo vietą, visa Vilniaus oro uostui artima zona buvo padalinta į atskirus sektorius. Kiekvienas sektorius vienas nuo kito buvo atskirtas keturiasdešimties sekundžių intervalais. Toks intervalas atitinka 1200 metrų. 42 paveikslas iliustruoja pseudolito vietos parinkimo skaičiavimo metodiką. Taškais pažymėtos vietos, kurių koordinatės buvo panaudotos HDOP ir VDOP reikšmių skaičiavimams. Imtuvo koordinatės visų skaičiavimų metu nekito ir buvo ant KTT šiaurinio slenksčio. Imtuvo padėtis pažymėta rodykle.

42 pav. Galimi skaičiavimuose naudoti pseudolito padėties taškai.

Visi skaičiavimai buvo atliekami keliais ciklais. Kaip kintamieji buvo nurodomos platumos koordinatės, kintančios nurodytame intervale tam tikru žingsniu (kas 40 sekundžių). Vėliau pakeičiamos ilgumos koordinatės ir ciklas kartojamas iš naujo. Iš viso buvo atlikta 18 ilgumos koordinačių keitimo ciklų po 32 nuosekliai kintančias platumos koordinates. Taigi, buvo apskaičiuotos 576 galimos vieno pseudolito pastatymo vietos. Gautos atskiros HDOP ir VDOP reikšmės turėjo padėti išsirinkti geriausią pseudolito pastatymo vietą. Toliau pateikiami skaičiavimo rezultatai grafikų pavidalu. Kaip matome, einant iš pietų į šiaurę VDOP reikšmės mažėja, o HDOP didėja.

43 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

44 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

45 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

46 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

47 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

48 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

49 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

50 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

51 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo platumos esant E (viršutinis grafikas) ir E (apatinis grafikas) ilgumoms

52 pav. VDOP ir HDOP priklausomybė nuo atstumo iki KTT, orlaivio tūpimo modeliavimo metu, kai priimami tik palydovų signalai.

53 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo atstumo iki KTT, orlaivio tūpimo modeliavimo metu, kai naudojami trijų orbitoje esančių palydovų ir vieno antžeminio pseudolito signalai.

54 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo atstumo iki KTT, orlaivio tūpimo modeliavimo metu, kai naudojami dviejų palydovų ir dviejų antžeminių pseudolitų signalai.

55 pav. HDOP ir VDOP priklausomybė nuo ilgumos, kai naudojami dviejų pseudolitų, išdėstytų simetriškai KTT, signalai

10. Publikuotas magistro straipsnis

Palydovinių sistemų panaudojimo orlaivių tupdymui Vilniaus oro uoste galimybės

A. Pilevičius

VGTU AGAI

Anotacija

Aptariami įvairūs tikslumo praradimo faktoriai, įtakojantys palydovinių sistemų matavimų tikslumą. Pateikiami matomų palydovų skaičiaus kitimo paros bėgyje stebėjimų rezultatai, pateikiamos konkrečios geometrinių faktorių (VDOP, HDOP bei PDOP) reikšmės GPS sistemai ir integruotajai GPS/GLONASS sistemai virš Vilniaus oro uosto.

Įvadas

Egzistuojančiomis pavienėmis palydovinėmis sistemomis – amerikiečių GPS, rusų GLONASS, Europos GALILEO, kol kas negalima remtis kaip patikimomis padėties nustatymo orlaiviui tupiant, sistemomis. Dėl jonosferos reiškinių, oro uosto geografinės padėties ir kitų priežasčių pozicijos koordinatės gaunamos su nemaža paklaida. Juolab, kol kas iki galo neišspręstas nuolatinio kokybiško ryšio su reikiamu palydovų skaičiumi klausimas.

Sukurta GPS ir GLONASS suderinanti padėties nustatymo sistema teikia daugiau vilčių jas pritaikyti tupdymo sistemose. Tokie sprendimai užtikrina pastovų reikiamą „matomų“ palydovų kiekį.

1. Tikslumo praradimo faktorius

GPS matavimų tikslumas priklauso nuo daugybės faktorių. Net naudojantis vien standartine SPS paslauga (Standard Position Service) atsakymas bus tas pats- tikslumą lemia daugybė faktorių.

Nustatant SPS, matavimų tikslumas gaunamas minimalaus galimo lygio ribose, tai yra, tikslumas bus ne blogesnis nei numatytas tam tikras lygis konkrečiu laiko momentu. Bet kuriame žemės paviršiaus taške matavimų tikslumas horizontalioje plokštumoje bus lygus arba mažesnis už 100 metrų (kai įjungta SA). Tai reiškia, kad per 24 valandų periodą išmatuotos GPS koordinatės bus ne toliau kaip per 100 metrų nuo tikrųjų taško koordinačių. Atitinkamas vertikalusis tikslumas- 156 metrai, o laiko tikslumas- 340 nanosekundžių.

Tokie duomenys turi būti, kai orbitoje veikia visi 24 palydovai, apžvalgos aukščio ribotumas siekia 5° be papildomų trukdžių, gaunami nenutrūkstantys signalai, mažiausiai, iš 4 palydovų, kurių geometrinis tikslumo praradimo faktorius ne didesnis kaip 6. Taigi, iš to seka, kad, priklausomai nuo stebėjimo padėties arba nuo paros laiko, kis ir matavimų tikslumai. Kalnuotose vietovėse arba miestuose su aukštais pastatais galime susidurti su situacija, kai tiesioginio matomumo zonoje nebus reikiamų keturių palydovų arba PDOP (angl. „Position Dilution Of Precision“) bus žymiai didesnis už 6.

Realaus tikslumo nepastovumas priklausomai nuo stebėjimo taško koordinačių arba paros laiko, yra dominuojantis tikslumo praradimo efektas dėl geometrinio faktoriaus. Šio faktoriaus sandauga su matavimų paklaidomis ir kitomis paklaidomis duoda bendrąją koordinačių paklaidą.

2. Geometrija

Įsivaizduokime navigacinę sistemą, kurioje vienas imtuvas matuoja atstumus iki dviejų antžeminių siųstuvų. Matavimai atliekami norint nustatyti imtuvo plokštumines koordinates. Imtuvas pastatytas taške, apibrėžtame dviejų apskritimų sankirta. Minėtųjų apskritimų centrai sutampa su siųstuvų koordinatėmis (žr. 1 paveikslėlį). Kaip matome imtuvo matavimuose yra šioks toks netikslumas. Neteisingai (netiksliai) išmatuotas atstumas iki siųstuvų daro neigiamą poveikį ir koordinačių skaičiavimams.

1 pav. Siųstuvų padėties įtaka matavimo tikslumui.

(1a) paveikslėlyje siųstuvai iš imtuvo „matomi“ ~90° kampu. Tokia jų padėtis suteikia palyginus nedidelį padėties reikšmių nustatymo plotą, kuriame turėtų būti imtuvas. Abu siųstuvai yra simetriškai priešingose imtuvo atžvilgiu pusėse, tad imtuvo X ir Y koordinatės bus apskaičiuojamos su vienodu tikslumu. (1b) paveikslėlyje siųstuvai imtuvo atžvilgiu yra išdėstyti mažesniu kampu, kas savo ruožtu duoda žymiai didesnį galimų sprendimų plotą. Tokiu atveju imtuvo Y koordinatės bus apskaičiuojamos su mažesniu tikslumu negu X koordinatės.

Analogiškai geometrijos įtakos efektą galima išanalizuoti ir GPS sistemai.

3. Vartotojo tikslumo paklaida (UERE)

UERE- (angl. „User Equivalent Range Error“). Kaip žinome iš GPS veikimo principų, dydis apibūdinamas kaip pseudo-atstumų matavimų standartinė paklaida.

SPS režime pilnoji UERE paklaida yra apie 25 metrus. Tačiau, išjungus SA funkciją, UERE paklaida sumažėjo iki 5 metrų. Didžiąją jos reikšmės dalį sudaro paklaidos, atsirandančios dėl jonosferos vėlinimo ir paklaidos, atsirandančios dėl signalų atspindžių. Vartotojai, besinaudojantys dviejų dažnių imtuvu, turi galimybę iš pseudo-atstumų matavimų pašalinti paklaidas, atsirandančias dėl jonosferos įtakos. Tokiu būdu dar labiau sumažinama UERE paklaida. Ateityje, naudojant papildomą civilinį GPS nešantįjį dažnį, visi vartotojai turės vienodas galimybes kompensuoti jonosferos paklaidas.

4. Įvairūs tikslumo praradimo faktoriai (DOP)

Turint reikšmę, galime apskaičiuoti matricos komponentus. Atlikus visus skaičiavimus, tampa įmanoma įvertinti bendrą vidutinių kvadratų sprendinio tikslumą. Tai atliekama tokiu būdu:

(1)

Čia: , , - imtuvo koordinačių įvertinimo rytinio, šiaurinio ir vertikalaus komponentų dispersija, - imtuvo laiko skalės dispersija. Jeigu sprendinio algoritmas parametrizuotas stačiakampėje koordinačių sistemoje, vietinėje koordinačių sistemoje naudojamas tiesioginis kovariacinės matricos sprendinių transformavimo metodas. Šis sprendinio tikslumo įvertinimas tapatus pseudo-atstumo matavimui. Matricos D elementai- tai funkcija priklausanti nuo tarpusavio geometrijos tarp palydovo ir imtuvo. Mastelį įvertinantis koeficientas paprastai būna didesnis už 1. Šis koeficientas padidina matavimų paklaidą, tuo pačiu sumažindamas koordinačių apskaičiavimo tikslumą. Dėl šios priežasties šis mastelį nusakantis koeficientas paprastai vadinamas geometriniu tikslumo sumažėjimu (GDOP).

Be bendrojo sprendinio kokybės įvertinimo mums dar gali prireikti ir atskirų komponentų tikslumų įvertinimo (trimatės koordinatės ir laiko nesutapimai). Kad būtų gauti atskirų netikslumų įvertinimai, atliekami tokie skaičiavimai:

  (2)

Kiekvienam šių paklaidų matavimui mes galime nusistatyti atitinkamus DOP dydžius (horizontaliai ir vertikaliai koordinačių dedamajai ir laikui):

  (3)

Svarbu paminėti, kad ir . Šios išraiškos labai praverčia siekiant išsiaiškinti tarpusavio sąryšius tarp įvairių DOP. Kadangi įvairūs DOP yra funkcijos, priklausančios nuo imtuvo ir palydovų tarpusavio padėties , jie gali būti apskaičiuoti panaudojus palydovų almanachą bet kokiam palydovų rinkiniui, matomam iš taško, kurio atžvilgiu atliekami skaičiavimai.

Jei imtuvas-palydovas vektoriai yra vienoje plokštumoje, DOP bus be galo didelis. Faktiškai, esant tokiam palydovų išsidėstymui yra neįmanomas koordinačių matavimas. DOP reikšmės bus žymiai mažesnės (o tuo pačiu padidės ir matavimų tikslumas), kai palydovai bus išsibarstę po visą dangų.

5. HDOP ir VDOP palyginimas

Paprastai, kuo daugiau palydovų signalų naudojama skaičiavimuose, tuo mažesnė gaunama DOP reikšmė, o tuo pačiu gaunamos mažesnės paklaidos. Žemiau pateikti paveikslėliai iliustruojantys DOP reikšmes paros bėgyje virš Vilniaus oro uosto. Paprastai HDOP reikšmės svyruoja tarp 1 ir 2. VDOP reikšmės būna didesnės už HDOP reikšmes, tad ir vertikalių koordinačių nustatymo tikslumas būna mažesnis už horizontalių koordinačių. Toks efektas gaunamas todėl, kad palydovai, iš kurių gauname signalą, yra aukščiau imtuvo. Horizontalių koordinačių nustatymas nesusiduria su tokiu efektu, nes paprastai signalus gauname iš palydovų, esančių skirtingose pusėse.

Jei žemės paviršius būtų permatomas radijo signalams, vertikaliąją dedamąją galėtumėme nustatinėti tokiu pačiu tikslumu kaip ir horizontaliąją. Vertikalių matavimų tikslumą galima padidinti naudojant GPS imtuvą su labai tiksliu laikrodžiu, arba jei labai tiksliai žinomas laiko skalių nesutapimas tarp vartotojo ir GPS palydovo.

DOP dydžiui įtaką daro ir stebėtojo geografinės padėties platuma. Nesutapimai tarp HDOP ir VDOP labiau išryškėja šiauriausiose ir piečiausiose planetos platumose. Taip yra dėl to, kad tose vietose stebima labai mažai zenite esančių palydovų. Tokie apribojimai atsiranda dėl to, kad GPS palydovų orbitų polinkis sudaro apie 55°, o tai reiškia, kad niekada nepamatysite virš savęs palydovo, jei esate šiauriau arba piečiau 55°. Šiaurės ir pietų poliuose aukščiausias galimas palydovo vietos kampas yra 45°.

Taigi, kaip matome, Lietuvoje dar galima tikėtis neblogų VDOP rezultatų.

Jei stebėjimo vietos kampą apribotume iki 15° ir tuo metu stebėti tik keturis palydovus (tuos, kurie užtikrina mažiausias DOP reikšmes), mes pastebėsim, kad tuo metu, kai HDOP reikšmė tesiekia dydžius nuo vieno iki dviejų, VDOP reikšmė gali pakilti iki 7. tai nekeista, nes galime apdoroti tik tų palydovų signalus, kurie pakilę vos per 30 laipsnių. Ar blogai yra turėti tokią VDOP reikšmę? Jei UERE paklaida siekia 25 metrus, vidutinė kvadratinė vertikalioji paklaida turėtų būti apie 175 metrus. Sumažinus stebėjimo vietos kampo ribą iki 5 laipsnių, VDOP sumažėja net kelis kartus.

Tačiau didelė DOP reikšmė gali būti pasiekta ir vidutinėse platumose. Tai gali atsitikti tiems imtuvams, kurie gali stebėti visus matomus palydovus. Kai kuriose vietovėse (pavyzdžiui miškingose) GPS imtuvo antena dėl iškilusių kliūčių negali priimti signalų iš visų pusių. Jei priimame signalą tik iš apriboto dangaus ploto, DOP reikšmė bus didelė, matavimų tikslumas mažas.

6. GPS matavimų paklaidos Vilniaus oro uosto zonoje

Siekiant išsiaiškinti palydovinių sistemų panaudojimo galimybes orlaivių tupdymo sistemoms Lietuvoje, specialia programine įranga buvo atlikta dviejų tipų modeliavimai. Pirmuoju atveju buvo nustatoma matomų palydovų skaičius ir DOP reikšmės vien tik GPS sistemai. Antruoju atveju tie patys skaičiavimai buvo atlikti integruotai GPS ir GLONASS sistemai. Iš paveikslėliuose pateiktų rezultatų galima padaryti išvadą, kad orlaivių tupdymui kur kas geriau pritaikyti integruotą GPS ir GLONASS sistemą. Tokiu atveju stebimų palydovų skaičius kai kuriuose paros intervaluose padidėja iki 14. Tuo pačiu sumažinamos DOP reikšmės, o tai savo ruožtu padidina matavimų tikslumą.

Visi stebėjimai buvo atliekami 2005 balandžio 7 dieną. Pirmiausia buvo nustatytas matomų palydovų skaičiaus kitimas paros bėgyje. 2 paveikslėlyje parodytas matomų GPS ir GLONASS palydovų skaičiaus kitimas priklausomai nuo paros laiko.

3 paveikslėlyje pateikiamos konkrečių DOP diagramos. Nesunku pastebėti, kad, padidėjus matomų palydovų skaičiui, žymiai sumažėja DOP reikšmės. Tokiu būdu gaunami tikslesni matavimų rezultatai.

2 pav. Matomų GPS ir GLONASS palydovų skaičiaus kitimas virš Vilniaus paros bėgyje. 1 kreivė rodo bendrą GPS ir GLONASS palydovų skaičių, 2 kreivė rodo tik GPS palydovų skaičių.

3 pav. Konkrečios DOP reikšmės Vilniaus oro uostui 2005 04 07.

g)       VDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

h)       HDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

i)         PDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (tik GPS)

j)         VDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS su GLONASS)

k)       HDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS ir GLONASS)

l)         PDOP reikšmių priklausomybė nuo paros laiko (GPS ir GLONASS)

Išvados

Iš pateiktų stebėjimų rezultatų matome, kad VDOP reikšmės (vienos svarbiausių automatiniam tupdymui) didžiąją paros dalį yra per didelės, kad patenkintų ICAO reikalavimus tupdymui pagal III kategoriją. Tuo pačiu metu naudojantis abiejų veikiančių pasaulinių padėties nustatymo sistemų (GPS ir GLONASS) palydovais situacija šiek tiek pagerėja.

Dėl paros bėgyje labai kintančio matomų palydovų skaičiaus kinta ir DOP reikšmės. Kritiškai mažą matomų palydovų skaičių galėtų pakeisti oro uosto teritorijoje įrengti integriniai švyturiai.

Taigi, be specialių tiksliai vertikalias koordinates nustatančių priemonių tupdymas pagal III kategoriją neįmanomas.

Literatūra

Global Positioning System: Theory and Applications (Volume II) [Bradford W. Parkinson and James J. Spilker Jr. (Editors) - 1996]

https://www.agp.ru/gps/dop/

https://www.codepedia.com/1/Geometric+Dilution+of+Precision+(DOP)

SUMMARY

THE USAGE POSSIBILITIES OF SATELLITE SYSTEMS FOR AIRCRAFT LANDINGS IN VILNIUS AIRPORT

Išvados

Baigiamajame darbe susipažinta su tupdymo sistemų evoliucija, istorija, trumpai išdėstomos kiekvienos sistemos veikimo principai. Išanalizuotos skirtingos orlaivių tupdymo sistemos nuo pat pirmųjų iki dar tik tyrinėjamų stadijoje esančių orlaivių tupdymo sistemų. Susipažinus su viena ar kita tupdymo sistema, trumpai pateikiami kiekvienos iš jų pagrindiniai trūkumai ir privalumai.

Analizuojant atsirinktą literatūrą prieita išvados, kad palydovinių sistemų panaudojimu pagrįstų orlaivio tupdymo sistemos yra vystymo stadijoje. Nėra priimtos vieningos sistemos, veikiančios visoje planetoje. Egzistuojančiomis pavienėmis palydovinėmis sistemomis – amerikiečių GPS, Rusų GLONASS, europos GALILEO, kol kas negalima remtis kaip patikimomis pozicionavimo tupiant sistemomis. Dėl jonosferos reiškinių, oro uosto geografinės padėties ir kitų priežasčių pozicijos koordinatės gaunamos su nemaža paklaida. Kol kas iki galo neišspręstas nuolatinio kokybiško ryšio su reikiamu palydovų skaičiumi klausimas. Visa tai veda prie būtinybės ieškoti sprendimo jungiant kelias, iš dalies atliekančias tas pačias funkcijas, sistemas. Amerikiečiai savos GPS sistemos daromą nemenką paklaidą sumažino iki tupdymo reikalavimus atitinkančių dydžių pasitelkdami papildomus referencinius dažnius. Tačiau tokios sistemos veikia tik JAV teritorijoje. Sukurta GPS ir GLONASS suderinanti pozicionavimo sistema teikia daugiau vilčių jas pritaikyti tupdymo sistemose. Tokie sprendimai užtikrina pastovų reikiamą palydovų skaičiaus matymą. Antžeminių pseudolitų statymas ištaiso trukdžių iškraipytą palydovo signalą ir duoda patenkinama tikslumo rezultatą.

56 pav. Paros bėgyje virš Vilniaus oro uosto matomų palydovų projekcijos.

Palydovinėmis sistemomis pagrįstų orlaivių tūpimo sistemų tikslumas labai priklauso nuo stebimų palydovų skaičiaus ir jų tarpusavio išsidėstymo imtuvo atžvilgiu. Palydovinės sistemos integravimas antžeminiais palydovais pseudolitais yra viena iš priimtiniausių išeičių.

Gauti skaičiavimų rezultatai parodė, kad geriausia pseudolito įrengimo vieta yra šiauriau KTT slenksčio. Tai yra dėl labai paprastos priežasties. Kaip matyti 56 paveikslėlyje, orbitose esančių GPS palydovų projekcijos išsidėsto daugiausiai antrame ir ketvirtame kvadrantuose, tad natūralu, kad pirmame ar ketvirtame kvadrantuose įrengtas papildomas GPS signalų siųstuvas kur kas pagerina geometrinį faktorių. Tai įrodoma skaičiavimų rezultatus atspindinčiuose grafikuose. Kas kartą siųstuvą pastačius šiauriau imtuvo stebimas VDOP reikšmių sumažėjimas.

Gauti skaičiavimų rezultatai tik iš dalies atspindi realią situaciją. Tai ir yra pagrindinis šio darbo trūkumas. Skaičiavimai buvo atliekami tik keturių siųstuvų atveju. Realiai vartotojo imtuvas gauna duomenis daugiau nei iš keturių siųstuvų. Galima daryti prielaidą, kad DOP reikšmės būtų dar mažesnės priimant penkių palydovų ir, pavyzdžiui, trijų pseudolitų signalus. Dėl sudėtingos skaičiavimo metodikos to padaryti nepavyko. Tačiau net ir minimalaus siųstuvų skaičiaus atveju gana aiškiai stebimas siųstuvų ir imtuvo tarpusavio išsidėstymo geometrijos pagerėjimas vieną iš palydovų pakeitus antžeminiu pseudolitu.

Pačio geriausio pseudolito pastatymo taško tiksliai pasakyti kol kas negalima. Nors ir žinomos koordinatės, tačiau neaišku ar tame taške išvis įmanoma pastatyti siųstuvą . Reikėtų išsamiau patyrinėti vietovę. Vietovės reljefo ypatumai, aukšti pastatai ir kiti trukdžiai gali smarkiai įtakoti siųstuvo darbo kokybę. Tad išsiaiškinus geriausios pastatymo vietos koordinates reiktų ištirti realias tos zonos aplinkos sąlygas.

12. Literatūra