«Разработка экспериментального образца многопозиционной автономной радиотехнической быстроразворачиваемой системы наземной инфраструктуры воздушного транспорта для посадки летательных аппаратов на неподготовленные площадки»

Выполнение проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16.09.2014 г. № 14.607.21.0057 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

На этапе № 1 в период с 16.09.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1.1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему построения радионавигационных систем, многопозиционных радиолокационных комплексов и систем управления воздушным движением, аэродромных многопозиционных систем наблюдения.

1.2. Обоснование направления исследований, в том числе сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.

1.3. Проведение патентных исследований в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.

1.4. Разработка концепции экспериментального образца МАРСП.

1.5. Выбор и обоснование совокупности основных параметров экспериментального образца МАРСП, определяющих его тип, структуру и особенности функционирования.

1.6. Разработка и сопоставление вариантов возможных технических решений, выбор и обоснование оптимального варианта экспериментального образца МАРСП.

1.7. Обоснование принципов построения системы синхронизации пространственно-разнесенных позиций.

1.8. Разработка и обоснование требований к испытательным стендам для проведения испытаний экспериментального образца МАРСП.

1.9. Работы по подготовке изготовления испытательных стендов, в том числе приобретении оборудования, материалов и комплектующих для изготовления стендов.

В ходе выполнения первого этапа проекта получены следующие основные результаты:

• обоснован принцип построения многопозиционной многорежимной автономной радиотехнической системы посадки летательных аппаратов с кооперативной обработкой информации;
• обоснованы основные технические характеристики экспериментального образца многопозиционной автономной радиотехнической системы посадки, позволяющие сформировать ее тип, структуру и предъявить требования к режимам работы в различных условиях функционирования;
• получены аналитические выражения для особенностей работы системы синхронизации пространственно-разнесенных позиций многопозиционной автономной радиотехнической системы посадки;
• получены аналитические выражения для определения координат целей при кооперативной обработке дальномерных измерений различных типов;
• обоснованы требования к экспериментальным стендам для проведения испытаний экспериментального образца многопозиционной автономной радиотехнической системы посадки;
• проведена закупка необходимых комплектующих для создания стендов и экспериментального образца многопозиционной автономной радиотехнической системы посадки летательных аппаратов на неподготовленные площадки;
• проведен аналитический обзор современной научно-технической и нормативной литературы затрагивающий проблематику принципов построения современных радионавигационных систем различного назначения;
• обоснованы области применения многопозиционных систем с кооперативной обработкой координатно–измерительной информации в многопозиционной радиотехнической системе, предназначенной для решения задач управления воздушным движением;
• получены аналитические выражения для информационно устойчивых методов обработки дальномерно–суммарно–разностно–дальномерных измерений при различном количественном и качественном составе вектора измеренных параметров;
• обоснованы основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики экспериментального образца многопозиционной автономной радиотехнической системы посадки, не уступающие основным отечественным и зарубежным аналогам;
• получены аналитические зависимости определения прямоугольных координат и скоростей их изменения для случая кооперативной обработки информации, что позволяет за один цикл обработки получить выражения для их оценивания, не прибегая к траекторному синтезу сообщения.

На этапе № 2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

2.1. Разработка и обоснование компьютерной модели функционирования экспериментального образца МАРСП.

2.2. Компьютерное моделирование основных режимов работы экспериментального образца МАРСП

2.3. Разработка программного обеспечения экспериментального образца МАРСП.

2.4. Разработка технической документации испытательных стендов оценки точности измерения координат объектов и оценки точности первичных измерений для проведения испытаний экспериментального образца МАРСП.

2.5. Разработка программ и методик экспериментальных исследований и натурных исследовательских испытаний экспериментального образца МАРСП.

2.6. Разработка требований к программному обеспечению экспериментального образца МАРСП.

2.7. Разработка и обоснование требований экспериментальному образцу МАРСП.

В ходе выполнения второго этапа проекта получены следующие основные результаты:

• получены аналитические выражения для определения прямоугольных координат в многопозиционных радиотехнических системах дальномерного, суммарно-дальномерного, разностно-дальномерного и угломерного типов, а также для всех их возможных вариантов построения;
• показано, что процедуры кооперативной организации измерений в МПРТС можно реализовать как для случая оценивания координат путем сведения переопределенной системы нелинейных уравнений к линейной, а также путем использования обработки дальномерных, суммарно-дальномерных и разностно-дальномерных измерений в различном их сочетании при различной кооперации при обработки данных;
• предложены математические модели многопозиционных радиотехнических систем различного типа, в которых местоположение объектов определяется по пересечению эллиптических, гиперболических, дальномерных и угломерных линий положения;
• показано, что комплексирование эллиптических, гиперболических, дальномерных и угломерных линий положения в МПРТС ведет к существенному повышению точности определения координат объектов по сравнению с суммарно-дальномерной и разностно-дальномерной системами и в каждой из систем в отдельности;
• показано, что предложенные модели обработки локационной информации обладают наивысшей информационной устойчивостью, учет которой позволяет оценить помехоустойчивость систем;
• результаты имитационного моделированием подтверждают теоретические выражения для кооперативной обработки результатов; показано, что кооперативная обработка дальномерной информации дает выигрыш, который тем больше, чем большее количество сопрягаемых источников, при этом:

1. 1. система с кооперативной обработкой информации обладает свойством «изящной» деградации - выход из строя или отказ одного или нескольких приемо-передающих пунктов не разрушает систему, а лишь снижает ее точностные возможности;
   2. переход от нелинейной системы уравнений к линейной позволяет относительно просто решать задачи определения координат объектов для произвольной конфигурации несимметричной системы, при неодинаковых базах и их взаимных угловых положениях друг относительно друга;
   3. полученные соотношения, необходимые для оценки СКО имеют достаточно универсальный характер, путем элементарной коррекции их можно использовать для систем различного типа с различной конфигурацией.

• получены алгоритмы оптимальной фильтрации параметров при различных условиях и допущениях, получены выражения для оптимальных по критерию минимума СКО значений параметров одномерных и двумерных алгоритмов фильтрации;
• проведено компьютерное моделирование основных режимов работы экспериментального образца МАРСП, которое заключается в имитационно-статистическом моделировании дальномерного, суммарно-дальномерного, разностно-дальномерного метода определения координат и режима кооперативной обработки. Результаты моделирование подтвердили основные теоретические положения и показали, что наибольшей точностью обладает режим кооперативной обработки и дальномерно-суммарно- дальномерный режим;
• проведен выбор и обоснование среды разработки и проектирования для разработки программного обеспечения экспериментального образца МАРСП;
• разработаны виртуальные приборы для:

1. 1. формирования сигналов заданной формы и законов модуляции для реализации дальномерных измерений по радиолинии запрос – ответ;
   2. демодуляции сигналов заданной формы для реализации дальномерных измерений по радиолинии запрос – ответ;
   3. измерения дальностей, сумм расстояний и расчетных значений дальностей при кооперативной обработке.

• разработаны измерительные стенды оценки точности координат позволяющие оценить точность измерения первичных координат дальномерных параметров, отработать процедуры синхронизации режимов работы системы от GPS-приемника и внешних устройств при синхронизации по оптоволоконной линии связи, а в перспективе и по беспроводной; отработать типы зондирующих сигналов используемых при работе многопозиционной системы в различных режимах;
• разработаны программы и методики испытаний экспериментальных исследований и натурных исследовательских испытаний экспериментального образца МАРСП;
• разработаны общие технические требования к экспериментальному образцу МАРСП.

   Основные характеристики полученных результатов, основанные на имитационно-статистическом моделировании основных режимов работы МАРСП, позволяют сделать вывод о достижимости точности определения местоположения объекта 0.1 - 5 м в рассматриваемой системе. Достижимости вероятности обнаружения летательных аппаратов по каналу запрос - ответ более 99.9% для любого интервала 2 сек., а также достижимость обновления частоты данных в течение 1 сек. для воздушных и наземных объектов более 95%.

   Элементами научной новизны полученных результатов является развитие концепции информационно-устойчивых методов обработки локационной информации в многопозиционных активно-пассивных системах с кооперативной обработкой данных, расширяющая границы теории совместной обработки локационной информации.

   Полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и плана- графика проводимых работ.

   Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющих мировой уровень и серийно выпускаемым изделиям (МПСН "Мера", АМПСН "Тетра" и MLAT "ERA") позволяет сделать вывод о том, что при одинаковых заданных условиях функционирования точность определения местоположения разрабатываемой системой выше в 2- 4 раза.

По результатам проведенных на втором этапе исследований:

1. Опубликована статья в журнале Infocommunications Journal (Hungary), индексируемом в Scopus:
   G.M. Mashkov, E.G. Borisov, A.G. Vladyko, A.I. Gomonova, The Use of Software-Defined Radio Systems in Multilateral Navigation Radio Systems. Infocommunications Journal, 2015, vol. VII. n. 2. pp. 26-31.
2. Результаты проведенных исследований докладывались на международной конференции: 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Russia, Omsk, May 21-23, 2015. 
   Доклад опубликован в сборнике материалов конференции:
   G.M. Mashkov, E.G. Borisov, A.I. Gomonova, Multilateration Radar System with Data Aggregation. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. ISBN: 978-1-4799-7102-2. 

На этапе № 3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

3.1 Разработка эскизной конструкторской документации для изготовления экспериментального образца МАРСП.

3.2. Разработка эксплуатационной документации испытательных стендов оценки точности измерения координат объектов и оценки точности первичных измерений для проведения исследовательских испытаний экспериментального образца МАРС.

3.3. Изготовление испытательных стендов оценки точности измерения координат объектов и оценки точности первичных измерений для проведения исследовательских испытаний экспериментального образца МАРСП.

3.4. Работы по подготовке изготовления экспериментального образца МАРСП, в том числе приобретение оборудования, материалов и комплектующих для изготовления.

В ходе выполнения третьего этапа проекта получены следующие основные результаты:

• Изготовлены испытательные стенды оценки точности измерения координат объектов и оценки точности первичных измерений.
• Разработана эксплуатационная документация испытательных стендов.
• Выполнена отладка программного обеспечения по результатам лабораторных измерений, проводимых на испытательных стендах.
• Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца МАРСП.
• Проведен выбор и обоснование аппаратно-программной платформы для разрабатываемого экспериментального образца МАРСП. Выбранная платформа позволяет реализовать измерения дальностей, сумм расстояний и разности расстояний, что позволит реализовать кооперативную обработку измерений, а также обладает высоким модернизационным ресурсом.
• Вычислительные средства системы позволяют реализовать в среде разработки и проектирования National Instrument оптимальные процедуры обработки измерений.
• Аппаратура формирования и генерирования сигналов, их приема и обработки выполненная по технологии программно-определяемых радиосистем позволяет в широком частотном диапазоне выбрать современные сигнально-кодовые конструкции и получить высокую точность первичных измерений.
• Выбранные элементы приемо-передающего тракта и устройства обработки позволят в перспективе осуществить радиосвязь между позициями и с объектом позиционирования.
• Разработанные программно-аппаратные решения позволяют реализовать кооперативную обработку локационной информации, а в перспективе реализовать сетевые радионавигационные структуры с различной степенью организации.
• Изготовленные испытательные стенды обеспечивают процедуры точности измерения координат лоцируемого объекта в пределах рабочей системы и позволяют проводить исследовательские испытания экспериментального образца МАРСП для оценки точности измеренных параметров, а также влияние той или иной степени кооперации обработки локационной информации на точность измерений.
• Проведена оптимизация и отладка программного обеспечения измерительных стендов оценки точности, что позволило провести на них измерения подтверждающие теоретические исследования.

По результатам проведенных на третьем этапе исследований:

1. Опубликованы две статьи в журнале Russian Aeronautics (Iz VUZ), индексируемом в Scopus:
   1. Mashkov, G.M., Borisov, E.G., Vladyko, A.G. Analysis of object positioning accuracy provided by range-finding systems of various types// Russian Aeronautics (Iz VUZ), 2015, Vol. 58, Iss. 4, pp 401-406.
   2. Bachevskii, S.V., Martem’yanov, I. S. Cooperative processing of measurements in multilateral radial–range difference system of passive radiolocation// Russian Aeronautics (Iz VUZ), 2015, Vol. 58, Iss. 4, pp 478-483.
2. Получены охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности:
   1. Программа для ЭВМ, свидетельство № 2015618197 от 03.08.2015 «Программа имитационного моделирования многопозиционной радиотехнической системы навигации с кооперативной обработкой измерений», РФ.
   2. Заявка на изобретение № 2015120520 от 29.05.2015 «Устройство для определения параметров движения цели», РФ.
   3. Заявка на изобретение № 2015149357 от 17.11.2015 «Многопозиционная система посадки воздушных судов», РФ.

На этапе № 4 в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

4.1 Изготовление экспериментального образца МАРСП.

4.2 Проведение экспериментальных исследований и натурных исследовательских испытаний экспериментального образца МАРСП.

4.3 Корректировка технической и эксплуатационной документации испытательных стендов по результатам испытаний.

4.4 Корректировка программной документации по результатам испытаний.

4.5 Участие в испытаниях экспериментального образца МАРСП в части обработки экспериментальных данных разностно-дальномерных измерений.

В ходе выполнения четвертого этапа проекта получены следующие основные результаты:

• В ходе выполнения этапа изготовлен экспериментальный образец МАРСП в составе четырех наземных приемо-передающих позиций, каждая из которых содержит устройства формирования, генерирования, приема и обработки сигналов, антенные системы, системы связи и передачи данных для обмена информацией между ними и центральным пунктом обработки информации. Вычислительные средства, используемые в устройстве, позволяют решать весь объем процедур кооперативной обработки.
• Проведены экспериментальные исследования и натурные исследовательские испытания экспериментального образца МАРСП, подтвердившие заявляемые характеристики.
• По результатам испытаний проведена корректировка программной документации в части совершенствования алгоритмов кооперативной обработки дальномерных и суммарно-дальномерных измерений, а также подпрограммы ввода данных точек стояния каждой из позиций.
• Выполнена корректировка технической и эксплуатационной документации испытательных стендов по результатам испытаний, что позволило в дальнейшем использовать их для совершенствования системы.
• Участие представителей индустриального партнёра в испытаниях экспериментальных образцов МАРСП в части обработки экспериментальных данных разностно-дальномерных измерений показало возможность использования системы для реализации процедур пассивной локации объектов источников радиоизлучения и создания на базе системы более сложных устройств радиомониторинга.

По результатам проведенных на четвёртом этапе исследований:

1. Опубликована статья в сборнике трудов конференции, индексируемом в Scopus:

Borisov, E.G., Mashkov, G.M., Fokin, G.A. Experimental Validation of Multipoint Joint Processing of Range Measurements via Software-Defined Radio Testbed// 18th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), 2016, pp 268-273.

2. Получен патент на изобретение «Устройство для определения параметров движения цели», РФ № 2584332. Опубл. 20.05.2016. Бюл. №14.

На этапе № 5 в период с 01.07.2016 по 31.12.2016 выполнялись следующие работы:

5.1 Обобщение и оценка полученных в ходе ПНИ результатов, в том числе, оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-технических уровнем, оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ, а также анализ выполнения требований ТЗ на ПНИ.

5.2 Разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

5.3 Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка опытного образца многопозиционной автономной радиотехнической быстроразворачиваемой системы наземной инфраструктуры воздушного транспорта для посадки летательных аппаратов на неподготовленные площадки».

5.4 Корректировка конструкторской документации экспериментального образца МАРСП.

5.5 Проведение маркетингового исследования и поиск рынков сбыта результатов ПНИ, в том числе в смежных отраслях.

5.6 Проведение подготовительных работ по дооборудованию производственных мощностей для проведения ОКР.

5.7 Проведение подготовительных работ для совершенствования экспериментальной базы с учетом результатов ПНИ.

В ходе выполнения пятого этапа проекта получены следующие основные результаты:

• Проведено обобщение и оценка полученных в ходе ПНИ результатов, в том числе, оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-технических уровнем, оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ, а также анализ выполнения требований ТЗ на ПНИ.
• Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
• Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка опытного образца многопозиционной автономной радиотехнической быстроразворачиваемой системы наземной инфраструктуры воздушного транспорта для посадки летательных аппаратов на неподготовленные площадки».
• По результатам испытаний, проведённых на 4 этапе, скорректирована конструкторская документация экспериментального образца МАРСП.
• Проведены маркетинговые исследования и поиск рынков сбыта результатов ПНИ, в том числе в смежных отраслях, которые подтвердили перспективность разрабатываемой тематики в системах навигации и определения местоположения объектов.
• Проведены подготовительные работы по дооборудованию производственных мощностей для проведения ОКР.
• Проведены подготовительные работы для совершенствования экспериментальной базы с учетом результатов ПНИ.

По результатам проведенных на пятом этапе исследований:

Опубликованы 2 статьи в журнале Indian Journal of Science and Technology, индексируемом в Scopus:

1. E.G. Borisov, S. G. Egorov. Analysis of Options of Cooperative Processing of Measurements in Long-Range Multistatic Radar System// Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(42), November 2016, рр 1-10.
2. G. M. Mashkov, E.G. Borisov, S. G. Egorov. Cooperative Processing of Measurements in Pseudorange Radio-technical Finding System// Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(46), December 2016, рр 1-6.

Получены охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности:

1. Программа для ЭВМ, свидетельство № 2016618761 «Программа имитационного моделирования комплексированной многопозиционной радиотехнической системы навигации».
2. Программа для ЭВМ, свидетельство № 2016618760 «Программа имитационного моделирования триангуляционно-разностно-дальномерной системы определения местоположения источников радиоизлучения»
3. Программа для ЭВМ, свидетельство № 2017610860 «Программа имитационного моделирования многопозиционной радиолокационной системы с кооперативной обработкой дальномерных измерений многоканальной системой с накоплением измерений»