Метод определения координат БПЛА на основе измерения дальностей до двух наземных станций

В работе предложен метод определения координат беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на основе измерения дальностей до двух наземных станций, который может применяться для авиационной навигации, радиотехнических систем позиционирования и мониторинга воздушного пространства. Метод относится к угломерно-разностно-дальномерным и может лечь в основу локальной навигационной системы для БПЛА, используемых в труднодоступных районах. Цель работы заключается в разработке метода определения координат беспилотного летательного аппарата на основе измерения дальностей от БПЛА до ограниченного количества наземных станций и оценке погрешностей измерения, а также получения зависимостей этих погрешностей от других измеримых географических параметров полета БПЛА. В качестве методов использовались математическое моделирование и численный эксперимент на основе разработанной имитационной модели. В результате получены зависимости ошибки измерения местоположения беспилотного летательного аппарата при изменениях значений основных ошибок входных данных и геометрии расположения наземных станций. Таким образом, предложен новый метод определения координат беспилотного летательного аппарата на основе измерения дальностей до двух наземных станций и барометрической высоты, а также определены погрешности измерения для данного метода. Показано, что точность метода существенно зависит от геометрии расположения станций, точности измерения дальности и дальности между станциями и БПЛА, а наиболее благоприятным для работы метода является угловой диапазон 30°–150°, где ошибка позиционирования остаётся минимальной. Теоретическая значимость состоит в предложенной модели представления координат БПЛА, которая легла в основу метода определения местоположения. Практическая значимость состоит в представлении результатов моделирования работы метода в различных сценариях и результатов численных экспериментов, демонстрирующих особенности его применения и факторы, влияющие на точность измерений

1. Arafat M. Y., Alam M. M., Moh S. Vision-based navigation techniques for unmanned aerial vehicles: Review and challenges //Drones. – 2023. – Т. 7. – №. 2. – С. 89.

2. Stuckey H. et al. A spatial localization and attitude estimation system for unmanned aerial vehicles using a single dynamic vision sensor //IEEE Sensors Journal. – 2022. – Т. 22. – №. 15. – С. 15497-15507.

3. Лежанкин Б. В., Ерохин В. В., Малисов Н. П. Управление траекторией полета беспилотного летательного аппарата при различной конфигурации источников навигационной информации //Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык. – 2024. – №. 1. – С. 113-127.

4. Коновалов К. Д. Алгоритм планирования маршрута БПЛА в условиях недостатка визуальных ориентиров //Системы анализа и обработки данных. – 2024. – №. 2 (94). – С. 37-54.

5. Щербинин В. В. и др. Автономный навигационный комплекс для роботизированных наземных и летательных аппаратов //Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2014. – №. 3 (152). – С. 234-243.

6. Кондрашов Я. В., Фиалкина Т. С., Рябец А. П. Методы и средства измерения координат воздушных судов по временным запаздываниям сигналов в многопозиционных радиодальномерных аэронавигационно-посадочных системах //Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2014. – №. 201. – С. 23-30.

7. Матвеев Б. В. и др. Исследование свойств разностно-дальномерной системы произвольной конфигурации с итерационным алгоритмом //Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2015. – Т. 11. – №. 1. – С. 111-115.

8. Исаев М. А., Исаев А. М., Линец Г. И. Метод вычисления параметров линейного движения беспилотного летательного аппарата в условиях отсутствия сигналов спутниковых радионавигационных систем на этапе посадки //Системы управления, связи и безопасности. – 2022. – №. 3. – С. 67-89.

9. Гир А. А., Костылев А. А., Чернышов А. В. Сравнительный анализ методов позиционирования беспилотных летательных аппаратов с помощью радио //Новые информационные технологии и системы (НИТиС-2021). – 2021. – С. 110-113.

10. Шалунов С.Б., Курочкин А.С., Изместьева Е.А. Выбор метода реализации локальной навигационной системы для беспилотного летающего аппарата // Информационные технологии и телекоммуникации. – 2023. – Т. 11. – №. 4. – С. 48-64.

11. Zhidko E. A., Razin’kov S. N. Methods for determining the angular coordinates and locations of radio sources in unmanned monitoring systems and experimental estimates of the accuracy of these parameters //Measurement Techniques. – 2020. – Т. 62. – №. 10. – С. 893-899.

12. Shevtsov V. A. et al. Experimental Estimates of Angular Coordinates and Location of Radio Emission Sources in Unmanned Aircraft Monitoring Systems //Russian Aeronautics. – 2021. – Т. 64. – С. 562-570.

13. Yin J. et al. A simple and accurate TDOA-AOA localization method using two stations //IEEE Signal Processing Letters. – 2015. – Т. 23. – №. 1. – С. 144-148.

14. Kang X. et al. An efficient hybrid multi-station TDOA and single-station AOA localization method //IEEE Transactions on Wireless Communications. – 2023. – Т. 22. – №. 8. – С. 5657-5670.

15. Nemati M., Baykas T., Choi J. Performance of TDOA and AOA localization techniques for different base-stations topologies //2019 13th International Conference on Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS). – IEEE, 2019. – С. 1-7.

16. Шабанов Э. В., Гиниятуллин В. М. Дифференциальная гиперболическая трилатерация //Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2019. – Т. 15. – №. 2. – С. 63-69.

17. Гладышев А. Б. и др. Компьютерная модель локальной системы навигации на основе псевдоспутников //Моделирование неравновесных систем-2017. – 2017. – С. 27-31.

18. Комарова Н. В., Мирошниченко А. В. Способ определения местоположения и вектора скорости полета летательного аппарата //Авиационные системы в XXI веке. – 2022. – С. 112-113.

19. Domuta I., Palade T. P. Two-way ranging algorithms for clock error compensation //IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2021. – Т. 70. – №. 8. – С. 8237-8250.

20. Степаненко Н. Н., Маругин А. С., Орлов В. К. Определение местоположения в замкнутых пространствах //СПбНТОРЭС: труды ежегодной НТК. – 2021. – №. 1. – С. 57-60.

21. Цветков В. Я. Определение координат на основе дальномерных измерений //Вектор ГеоНаук. – 2021. – Т. 4. – №. 3. – С. 75-80.

22. Павленко А. В. Модель расчета дальности связи радиорелейной линии прямой видимости //Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2018). – 2018. – С. 253-256.

23. Григорьев С.В., Лабутин В.А., Платонов В.В. Радионавигационные системы воздушных судов — СПб.: СПбГУГА, 2017.

24. Степанов О. А., Исаев А. М. Сравнительный анализ эффективности алгоритмов оценивания в задачах обработки навигационной информации на основе предсказательного моделирования //XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023). – 2023. – С. 219-222.

25. Евтушенко О. А., Ермошенко Ю. М. Влияние отражений от подстилающей поверхности на качество функционирования аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем //Евразийский Союз Ученых. – 2015. – №. 6-2 (15). – С. 80-84.

26. Тяпкин В. Н., Гарин Е. Н. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС: монография //Красноярск: Сиб. федер. ун-т. – 2012.

27. Кафтан В. И. Системы координат и системы отсчета в геодезии, геоинформатике и навигации //Геопрофи: научно-технический журнал по геодезии, картографии и навигации. – 2008. – №. 3. – С. 60-63.