Компенсация ошибок оценивания местоположения, вызванных тропосферным распространением радиоволн, в широкозонных мультилатерационных системах

Введение. Широкозонные мультилатерационные системы навигации (Wide Area Multilateration, WAM) являются основным конкурентом комплексов вторичной радиолокации систем управления воздушным движением. Принцип работы WAM-систем заключается в измерении псевдодальностей сигнала бортового ответчика воздушного судна системой разнесенных в пространстве приемных станций и последующей оценке местоположения. Одним из существенных факторов, влияющих на точность оценки местоположения воздушного судна (ВС), является тропосферная рефракция. Рефракция приводит к увеличению длины оптического пути сигнала, а следовательно, и измеряемых псевдодальностей. Следствием этого является появление дополнительного смещения у оценок местоположения ВС. При этом недопустимо большие значения смещения получаются при оценке высоты.

Цель работы. Получение математической модели сигналов приемных станций WAM-системы, которая учитывает особенности тропосферного распространения радиоволн, и синтез алгоритма оценки местоположения ВС с компенсацией тропосферных ошибок при оценивании псевдодальностей.

Материалы и методы. Методом геометрической оптики получены уравнения, позволяющие рассчитать ошибки измерения псевдодальностей, вызванные рефракцией в сферически слоистой тропосфере.

Результаты. Предложена математическая модель формирования оценок псевдодальностей, учитывающая тропосферную рефракцию. Анализ модели показал, что ошибки измерения псевдодальностей линейно зависят от расстояния между ответчиком ВС и приемным пунктом. Этот вывод позволил синтезировать алгоритм оценивания местоположения ВС с компенсацией тропосферных ошибок. Синтезированный алгоритм позволяет полностью избавиться от смещения у оценок местоположения ВС при увеличении СКО оценки высоты на 60 % и сохранении этого параметра в допустимых для WAM-систем пределах.

Заключение. Полученные в статье математическая модель сигналов WAM-системы, учитывающая ошибки тропосферного распространения радиоволн при оценке псевдодальностей, и алгоритм оценивания местоположения ВС с компенсацией тропосферных ошибок могут быть использованы при разработке многопозиционных навигационных систем.

1. Multilateration (MLAT) Concept of Use. Edition 1, ICAO Asia and Pacific Office, Sep. 2007. URL: https://www.icao.int/APAC/Documents/edocs/mlat_cocept.pdf (дата обращения 30.11.18)

2. Leonardi M., Mathias A., Galati G. Two Efficient Localization Algorithms for Multilateration // Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2009. Vol. 1, iss. 3. P. 223-229. doi: 10.1017/s1759078709000245

3. Efficient location strategy for airport surveillance using mode-s multilateration systems / I. A. Mantilla-Gaviria, M. Leonardi, G. Galati, J. V. Balbastre-Tejedor, E. D. L. Reyes // Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2012. Vol. 4, iss. 2. P. 209-216. doi: 10.1017/s1759078712000104

4. Localization algorithms for multilateration (MLAT) systems in airport surface surveillance / I. A. Mantilla-Gaviria, M. Leonardi, G. Galati, J. V. Balbastre-Tejedor // Signal, Image and Video Processing. 2015. Vol. 9, iss. 7. P. 1549-1558. doi: 10.1007/s11760-013-0608-1

5. Монаков А. А. Алгоритм оценки координат объектов для систем мультилатерации // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2018. № 4. С. 38-46. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-4-38-46

6. Монаков А. А. Комбинированный алгоритм оценки координат в многопозиционной дальномерной навигационной системе // XXV Междунар. научтехн. конф. "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2019. Т. 4. С. 8-16.

7. Schüler T. The TropGrid2 standard tropospheric correction model // GPS Solut. 2014. Vol. 18, iss. 1. P. 123-131. doi: 10.1007/s10291-013-0316-x

8. Juni I., Rózsa S. Validation of a New Model for the Estimation of Residual Tropospheric Delay Error Under Extreme Weather Conditions // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2019. Vol. 63, № 1. P. 121-129. doi: 10.3311/PPci.12132

9. Corrections of stratified tropospheric delays in SAR interferometry: Validation with global atmospheric models / M.-P. Doin, C. Lasserre, G. Peltzer, O. Cavalié, C. Doubre // J. of Applied Geophysics. 2009. Vol. 69, № 1. P. 35-50. doi: 10.1016/j.jappgeo.2009.03.010

10. Yu Z., Li Z., Wang S. An Imaging Compensation Algorithm for Correcting the Impact of Tropospheric Delay on Spaceborne High-Resolution SAR // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol. 53, № 9. P. 4825-4836. doi: 10.1109/TGRS.2015.2411261

11. De Miguel G., Portas J. B., Herrero J. G. Correction of propagation errors in Wide Area Multilateration systems // European Radar Conf. (EuRAD), Rome, Italy, 2009. P. 81-84.

12. Abbud J. M., De Miguel G., Portas J. B. Correction of systematic errors in Wide Area Multilateration // Tyrrhenian Intern. Workshop on Digital Communications - Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles, Capri, Italy, 2011. P. 173-178.

13. Abbud J., De Miguel G. Joint Target Tracking and Systematic Error Correction for Wide Area Multilateration // Electronic Navigation Research Institute (eds) Air Traffic Management and Systems. Lecture Notes in Electrical Engineering. Springer, Tokyo, Japan, 2014. Vol 290. P. 175-191. doi: 10.1007/978-4-431-54475-3_10

14. Manual of the ICAO standard atmosphere, Doc 7488/3, 1993. P. 305. URL: http://files.fip.rshu.ru/Новый %20каталог/2/doc/Руководство%20по%20стандартной%20атмосфере%20ICAO_Doc7488.pdf(дата обращения 24.07.2014)

15. Рекомендация МСЭ–R P. 453-10 "Индекс рефракции радиоволн: его формула и данные о рефракции», Женева. 2012. № 2. P. 30. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.453-10-201202-S!!PDF-R.pdf (дата обращения 11.06.2019)

16. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1972. 464 с.