Аналіз на основі моделювання системи позиціонування Locata 746-ї випробувальної ескадрильї без GPS для навігаційних випробувань на ракетному полігоні Уайт-Сендс (WSMR).
SEAN ABRAHAMSON, KALYN JONES, 746TH TEST SQUADRON JOSEPH MURPHY, JESSE SCHLOSSER, ANSYS GOVERNMENT INITIATIVES
746-а випробувальна ескадрилья (746 TS) використовує систему позиціонування без GPS (NGBPS), розроблену корпорацією Locata для забезпечення високоточних навігаційних рішень в умовах відсутності GPS. Система Locata транслює сигнали, які обробляються бортовим приймачем під час льотних випробувань. Для підвищення точності навігаційного рішення застосовуються методи пост-обробки. Ця унікальна інфраструктура наземних псевдолітів на ракетному полігоні Вайт Сендс (WSMR) є корисним ресурсом для тестування і оцінки в умовах відсутності GPS, забезпечуючи локалізований позасмуговий сигнал для порівняння. Проте доступність цього високоточного рішення обмежена розміщенням передавачів на полігоні і розташуванням антени на літаку під час польоту, що підкреслює необхідність ретельного планування місії.
Щоб вирішити ці проблеми, 746 TS використовував Ansys Government Initiatives (AGI) System Took Kit (STK), програмний інструмент для моделювання та аналізу систем, щоб змоделювати роботу системи Locata. Об’єднуючи профілі польоту з інформацією про місцезнаходження, STK дозволяє оцінити продуктивність системи. Цей підхід, заснований на моделюванні, призвів до значних покращень у плануванні місій і аналізі після їх завершення. 746 TS може забезпечити оптимізацію маршрутів польоту для системи Locata, використовуючи можливості STK для моделювання впливу маскування корпусу і динаміки літака для розробки профілів, які максимізують точність і надійність навігаційного рішення Locata.
У цій статті досліджується застосування STK для моделювання роботи системи Locata, висвітлюються переваги цього підходу в плануванні місій і післямісійному аналізі. Представлені результати цього підходу, що базується на моделюванні, демонструють потенціал для покращення тестування і оцінки навігаційних систем на WSMR.
Випробування та оцінка повного спектру PNT
Системи позиціонування, навігації та синхронізації (PNT) є критично важливими компонентами сучасних військових операцій. Зі збільшенням викликів доступності GPS через загрози навігаційної війни (NavWar), здатність тестувати і оцінювати навігаційні системи в реалістичному середовищі NavWar стала вкрай важливою.
746 TS, що базується на базі ВПС США «Холломан» в Нью-Мексико, спеціалізується на випробуваннях і оцінці систем PNT для підтримки операцій національної оборони в будь-яких умовах.
Місія ескадрильї зосереджена на наданні гнучких, ефективних і надійних послуг з випробувань і оцінювання PNT і NavWar. Це включає високоточні лабораторні випробування, інтеграцію обладнання, наземні і льотні випробування, а також оцінку NavWar на відкритому повітрі, що забезпечує комплексні, всеохоплюючі можливості для випробувань і оцінювання PNT.
Важливість випробувань NavWar була продемонстрована широкомасштабними і постійними перешкодами GNSS у Східній Європі протягом останніх кількох років. Оскільки противники продовжують розробляти і застосовувати засоби глушіння GPS, потреба в стійких навігаційних системах і ефективних методологіях тестування стає все більш критичною. Випробування NavWar гарантують, що військові системи можуть бути належним чином оцінені в реалістичних умовах перед розгортанням.
Вимоги до еталонної системи
У 746 TS використовується надвисокоточна еталонна система (UHARS) для надання еталонних даних про час, простір і положення (TSPI) для порівняння з системами, що випробовуються. Ця еталонна система повинна підтримувати рівні точності приблизно в 10 разів кращі, ніж системи, що тестуються (цільова точність <10 см на вісь 1 сигма), навіть в умовах відсутності GPS.
До складу UHARS входить декілька навігаційних підсистем:
– Цивільний приймач GNSS з диференційованою постобробкою (декілька сузір’їв у декількох частотних діапазонах)
– Військовий приймач сигналу GPS
– Високопродуктивна інерціальна навігаційна система (INS)
– Удосконалена антенна електроніка із захистом від перешкод
– NGBPS (з використанням технології Locata)
Незважаючи на таке розмаїття систем, підтримання високої точності в умовах сильних завад залишається складним завданням і значною мірою залежить від продуктивності NGBPS.
Locata NGBPS
Система Locata, розгорнута в WSMR, складається з мережі наземних передавачів (так званих LocLites), які транслюють GPS-подібні сигнали в діапазоні 2,4 ГГц для промисловості, науки і медицини (ISM). Ці сигнали приймаються бортовим приймачем, а також іншими LocLites для підтримки синхронного часу в системі (рис. 1). Приймач, встановлений на випробувальному літаку, обробляє сигнали для визначення положення і швидкості літака.
Ключові особливості системи Locata включають в себе
– Вимірювання фази коду та несучої для високоточного позиціонування
– Інтеграція метеорологічних даних для корекції тропосферних помилок
– Синхронізація часу між усіма передавачами (технологія TimeLoc™)
Система працює незалежно від GPS, що робить її ідеальною для забезпечення опорного позиціонування в умовах відсутності GPS. Сигнали обробляються в режимі реального часу під час льотних випробувань, але потребують додаткової пост-обробки, щоб забезпечити повну високоточність навігаційного рішення системи.
Операційні обмеження Locata
Хоча система Locata здатна забезпечити точне рішення для позиціонування в умовах відсутності GPS, у неї є кілька операційних міркувань, які необхідно враховувати при ретельному плануванні місії:
– Геометричні обмеження: Високоточні рішення для позиціонування доступні лише там, де коефіцієнт розмивання точності (PDOP) залишається нижчим за 3,0. Це вимагає, щоб платформа мала пряму видимість до достатньої кількості передавачів LocLite для забезпечення добре розподіленої геометрії. Геометрія і, відповідно, PDOP мають тенденцію до покращення, коли антена приймача літака оточена передавачами LocLite (Рис. 2). Якщо PDOP перевищує 3,0 через втрату сигналів під час поворотів, система повинна повторно знайти рішення.
– Вирішення неоднозначності фази несучої: Хоча приймач Locata генерує кодове рішення в реальному часі, воно, як правило, не є достатньо точним для оцінки системи, що тестується. Високоточні постоброблені рішення вирішують неоднозначності фази несучої, але цей процес вимагає достатнього часу і відповідних схем польоту в мережі Locata, щоб збігтися з рішенням. Якщо під час маневрів втрачається занадто багато сигналів LocLite, система повинна перезапустити процес вирішення неоднозначності, що вимагає додаткового руху і часу.
Ці міркування підкреслюють необхідність ретельного планування місії, щоб забезпечити оптимальне геометричне співвідношення траєкторій польоту з мережею LocLite. Для досягнення сприятливих значень PDOP літак, як правило, повинен діяти в межах мережі LocLite. Крім того, розташування антени на літаку і положення літака під час польоту суттєво впливають на прийом сигналу, оскільки маневри з розворотом можуть призвести до того, що корпус літака буде маскувати сигнали від певних LocLite, погіршуючи рішення позиціонування. Приклад польоту, який добре демонструє, як ці параметри планування місії впливають на доступність високоточного рішення Locata, показаний на рисунку 3.
Підхід до моделювання STK
AGI розробила набір програмних засобів STK, які забезпечують комплексне середовище, що дозволяє з високою точністю моделювати випробувальне середовище, включаючи випробувальну платформу і систему Locata. Можливості моделювання STK на основі фізики дозволяють точно відтворити:
– динаміку і положення літального апарату під час польоту
– поширення сигналу від псевдолітаків до бортового приймача
– Вплив маскування корпусу літака на прийом сигналу
– розміщення антени та діаграми спрямованості
– Обчислення геометричних параметрів, таких як PDOP
Ці можливості дозволили 746 TS і STK спільно створити сценарій в рамках STK, який імітував випробувальний політ однієї з основних льотно-випробувальних платформ 746 TS (C-12J) за різних умов польоту з присутністю системи Locata, щоб дослідити передбачуваний вплив профілю польоту на роботу системи Locata.
Розробка моделі
Модель STK, розроблена для системи Locata, включає
1. Псевдолітна мережа: Наземні передавачі, розміщені у фактично обстежених місцях на WSMR.
2. Модель літального апарату: Детальне представлення тестового літака, включаючи:
– Геометрія зовнішніх обводів.
– Динаміка польоту на різних швидкостях і висотах.
– Розміщення антен.
– Маскування сигналу корпусом літака під час поворотів, визначених льотними характеристиками C-12J.
3. Профілі польоту: Заплановані траєкторії польоту з детальною інформацією про місцезнаходження, включаючи кути крену під час поворотів.
Для початкового налаштування передавачі псевдолінійної мережі моделювалися як окремі точки з відповідними координатами передавальних антен. Однак, кожна ділянка LocLite має дві передавальні антени, розташовані поруч одна з одною, і початкові версії сценарію враховували лише одну з них. Виявилося, що це вплинуло на оцінки PDOP, і пізніше для кожної ділянки було додано друге місце розташування антени. Поточна версія моделі не враховує коефіцієнт підсилення передавальної або приймальної антени, хоча це можна легко додати в майбутньому за допомогою вбудованих інструментів STK.
Для моделі літака була інтегрована 3D-лінія зовнішньої форми C-12J. Використовуючи вимірювання з реальної випробувальної платформи, приймальну антену Locata було розміщено на моделі у встановленому місці відносно носової частини моделі. На основі розташування антени програмне забезпечення STK може оцінити маску прямої видимості, яка вказує на область, вище якої сигнали більше не зможуть досягти антени. Ця маска використовується для оцінки того, коли приймач більше не зможе відстежувати сигнал LocLite на основі орієнтації літака в профілі польоту. Було виявлено, що навіть невеликі зміни в розташуванні антени відносно корпусу літака відіграють значну роль в оцінці того, які сигнали будуть доступні. Наприклад, переміщення розташування антени по вертикалі вниз на 1 дюйм мало значний вплив на оцінку маски корпусу під час розворотів (Рис. 4).
Мета оптимізації профілю польоту – підтримувати значення PDOP нижче 3,0 протягом усього польоту, щоб забезпечити безперервність високоточних рішень. Це вимагає оптимізації декількох параметрів:
– Висота польоту
– Швидкість польоту
– Кут крену
– Геометрія траєкторії польоту
Початкові профілі польоту були заплановані на трьох висотах: 24 500 футів, 17 000 футів і 10 000 футів над рівнем моря і включали як траєкторію польоту по трасі, так і траєкторію польоту типу «вісімка» на кожній висоті. Ці профілі були змодельовані в STK для оцінки ефективності PDOP при використанні інструменту Aviator для оцінки відповідного положення льотно-випробувальної платформи на основі льотних характеристик C-12J. Початкова оцінка PDOP показана на рисунку 5.
Виходячи з початкових результатів моделі STK, стало зрозуміло, що запланована швидкість польоту і подальший банкінг, необхідний для виконання розворотів на менших висотах, швидше за все, призведе до втрати здатності відстежувати певні об’єкти Locata. Це призвело до завищення PDOP вище необхідного порогу. Досліджуючи різні висоти, було підраховано, що політ на висоті 11 000 футів над рівнем моря або вище призведе до більш стабільної роботи і зменшить ризик перевищення бажаного порогу PDOP (Рис. 6). Виходячи з результатів моделювання, фактична місія виконувалась на висоті 11 500 футів над рівнем моря.
На додаток до моделювання впливу висоти на оціночні характеристики Locata, STK також дозволив дослідити, як зміни швидкості польоту можуть вплинути на характеристики. Зі збільшенням швидкості польоту збільшується необхідний кут крену для утримання повороту, а отже, зростає ризик втрати ділянок, які дозволяють геометрії PDOP залишатися нижче бажаного порогу. Наприклад, на висоті 12 000 футів і швидкості польоту 202 вузли, за оцінками STK, існують значні ділянки траєкторії польоту, які перевищують бажаний поріг PDOP (Зображення 7).
Результати льотних випробувань
Проведення випробувань
У квітні були проведені спеціальні льотні випробування, щоб продемонструвати продуктивність системи Locata. З урахуванням результатів моделювання були виконані польоти по гоночній трасі і профілю «вісімка» на висотах 11 500 футів, 17 000 футів і 24 000 футів над рівнем моря (Рис. 8).
Ефективність PDOP
Під час післяпольотного аналізу фактична траєкторія польоту була введена в STK для визначення розрахункових значень PDOP. У STK прогнозовані значення PDOP були вирівняні в часі безпосередньо з фактичними значеннями PDOP, отриманими приймачем Locata під час польоту, і порівняні з ними. Результати показали хорошу кореляцію між прогнозованими і фактичними значеннями PDOP, як показано на рисунку 9, причому всі значення залишалися нижче критичного порогу 3,0 протягом усього польоту.
Повороти показали, що основним фактором, який впливає на зміну PDOP під час місії, є положення літака, і що STK добре це моделює. Під час розвороту під кутом 15,6 градусів модель передбачила втрату прямої видимості для двох об’єктів Locata на півночі, оскільки сигнали падали вище розрахункової маски корпусу. Така поведінка була відображена в фактичних даних приймача Locata під час цього повороту (Рис. 10-13).
Успішне утримання PDOP нижче 3,0 протягом усього польоту підтвердило ефективність підходу до планування місії на основі STK. Цей результат є особливо важливим, оскільки він демонструє, що належні інструменти планування місії уможливили безперервне високоточне позиціонування з використанням системи позиціонування, що не базується на GPS. Цей інструмент значно покращить здатність забезпечувати високоточне позиціонування навіть в умовах відсутності GPS для майбутніх випробувань.
Ефективність відстеження сигналів
Інші параметри продуктивності системи Locata порівнювалися з аналогічними значеннями STK, щоб побачити, чи може модель надалі прогнозувати продуктивність. Одним з конкретних параметрів, що представляв інтерес, була фактична кількість відстежених і використаних сигналів LocLite, про які повідомляв приймач Locata. Це було порівняно з оцінкою STK щодо того, які об’єкти будуть у зоні прямої видимості, як показано на рисунку 14. Хоча модель STK використовує жорсткий підхід до маскування, реальна система Locata, ймовірно, зазнає певної дифракції і може відстежувати сигнали LocLite поза межами, коли модель STK прогнозує, що вона буде підтримувати стеження. Хоча в цілому картина відстеження сигналу відносно добре відповідала прогнозу STK і реальності, були значні періоди профілю польоту, коли відстежувалося і використовувалося менше LocLite, ніж мало б бути в зоні прямої видимості на основі моделі STK. Це вказує на те, що потенційно існують деякі немодельовані ефекти, такі як час, необхідний приймачу для відстеження сигналу, коли він повертається в зону прямої видимості, або те, як він визначає, чи буде сигнал використаний у рішенні.
Майбутня робота
Після валідації підходу STK-моделювання на платформі C-12 було визначено кілька напрямків розвитку для покращення планування місій та можливостей аналізу після місії. Розробка більш досконалих моделей літаків є ключовим напрямком, в якому планується включити детальні льотні характеристики і розміщення антен для підвищення точності моделі. Крім того, включення моделей коефіцієнта підсилення антени дозволить моделювати рівні потужності прийому, забезпечуючи більш повне розуміння ефективності системи відстеження.
Підхід на основі STK може бути застосований і до інших платформ, в тому числі до іншого поширеного літака для льотних випробувань 746 TS – Т-38С. Це передбачає оцінку ефективності різних конфігурацій антен і аналіз впливу високодинамічних профілів польоту на систему Locata. Аналіз буде зосереджений на оптимізації розміщення антен і оцінці продуктивності системи під час високодинамічних маневрів.
Інструмент STK також здатний інтегрувати засоби NavWar, такі як глушилки, для забезпечення більш комплексного планування місій і аналізу навігаційних систем, що випробовуються в умовах конкуренції з GPS. Це важливий наступний крок, оскільки засоби постановки перешкод можуть бути оптимізовані для забезпечення ідеального середовища постановки перешкод, одночасно гарантуючи, що профілі польоту можуть підтримувати бажану продуктивність Locata.
Висновок
Ця робота демонструє ефективне використання STK для моделювання, планування місій та аналізу псевдолітної системи Locata на WSMR. Підхід на основі STK дозволив 746 TS оптимізувати профілі польоту, спрогнозувати продуктивність системи під час льотно-випробувальних маневрів, дослідити точність моделі в порівнянні з даними льотних випробувань і визначити області для вдосконалення. Висока кореляція між прогнозами STK і фактичними результатами льотних випробувань свідчить про те, що цей підхід буде ефективним для подальшого планування та аналізу місій.
Використовуючи можливості STK для моделювання ефектів маскування корпусу літака та імітації поширення сигналу, 746 TS може розробити надійну методологію для оцінки ефективності навігаційної системи в умовах NavWar. Даний підхід забезпечує основу для оптимізації систем позиціонування на основі псевдолітів і розширює можливості тестування для дедалі складніших сценаріїв NavWar.
Джерело: 