Estudo de técnicas de navegação INS/GNSS para uso e extensão no contexto da modernização dos sistemas de CNS-ATM

• Ano de defesa: 2013
• Autor(a) principal: Alessandro Gonçalves Adinolfi
• Orientador(a): Marcelo Lopes de Oliveira Souza
• Banca de defesa: Atair Rios Neto, Fernando José de Oliveira Moreira
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais
• País: BR
• Resumo em Inglês: The increasing use of Global Navigation Satellite Systems-GNSS in future Aeronautical Navigation Systems-ANS is a current trend in the aeronautical operation and regulation communities, being part of a set of initiatives related to the modernization of the air traffic management, known as Communication, Navigation, Surveillance/Air Traffic Management CNS/ATM. This new approach brings implications in terms of complexity of systems and more stringent requirements in terms of attributes of Navigation Systems, such as Precision, Reliability, Availability and Continuity, related to the operation in these contexts and efforts to extend the operational capabilities. Proposed solutions, such as satellite or ground-based augmentation systems, depend on signals provided by the GNSS satellite constellation. This constitutes a limitation for using such systems for navigation. On the other hand, Inertial Navigation Systems-INS, being independent of external signals, have a big potential to be applied on these circumstances; furthermore, they present characteristics that may be considered complementary to the GNSS. In this work, some INS/GNSS Navigation Techniques are studied for use and extension in the context of CNS-ATM. For that: 1) a brief assessment of Aeronautical Navigation Systems in the context of CNS-ATM using a Systems Engineering approach was performed; 2) Measures of Effectiveness - MOEs applicable for such systems were identified; 3) an operational scenario representative of CNS-ATM was chosen and; 4) simulations involving the integration of INS and GPS using Kalman filters were performed -to provide data for discussion. It was verified that: 1) the use of a Systems Engineering approach provides benefits in terms of better definition of attributes and avoidance of late changes; 2) the use of INS/GPS loosely and tightly coupled integration provides benefits in terms of Precision and capability to continue the operation and/or provide navigation data adequate for a safe extraction in the case of total loss of GPS; 3) the use of INS/GPS tightly coupled integration provides additional benefits in terms of capability to continue the operation and/or provide navigation data adequate for a safe extraction in the case of partial loss of GPS; and 4) there were indications that the attributes of Reliability, Availability and Continuity also were positively affected.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2013/08.05.15.09

O crescente uso de Sistemas de Navegação Global por Satélite-GNSS em Sistemas de Navegação Aeronáutica é uma tendência atual nas comunidades de operação e certificação de aeronaves, sendo parte de um pacote de iniciativas relacionada à modernização do gerenciamento do tráfego aéreo, conhecida como Comunicação, Navegação, Vigilância/Gerenciamento do Tráfego Aéreo CNS/ATM. Esta nova abordagem traz implicações em termos de complexidade de sistemas e requisitos mais rigorosos em termos dos atributos de Sistemas de Navegação, tais como Precisão, Confiabilidade, Disponibilidade e Continuidade, relacionados à operação nestes contextos e esforços para extensão da capacidade operacional. Soluções propostas, tais como sistemas de aumento de precisão baseados em satélite ou em solo dependem dos sinais providos pela constelação GNSS. Isto constitui uma limitação para o uso de tais sistemas para navegação. Por outro lado, Sistemas de Navegação Inercial-INS, sendo independentes de sinais externos, têm um grande potencial de aplicação nestas circunstâncias, além de apresentarem características que podem ser consideradas complementares ao GNSS. Neste trabalho, algumas técnicas de integração INS/GNSS são estudadas para uso e extensão no contexto de CNS-ATM. Para tal: 1) um breve estudo sobre Sistemas de Navegação Aeronáutica no contexto de CNS-ATM foi realizado; 2) Medidas de Efetividade aplicáveis a tais sistemas foram identificadas; 3) um cenário operacional representativo de CNS-ATM foi escolhido e; 4) simulações envolvendo a integração de INS e GPS usando Filtros de Kalman foram realizadas de modo a prover dados para discussão. Foi verificado que: 1) o uso de uma abordagem de Engenharia de Sistemas provê benefícios em termos de melhor definição de atributos e prevenção de mudanças tardias; 2) o uso de integração INS/GPS do tipo fracamente ou fortemente acoplada provê benefícios em termos de Precisão e capacidade de continuar a operação e/ou provê dados de navegação adequados para a extração segura da aeronave em caso de perda total do GPS; 3) o uso de integração INS/GPS do tipo fortemente acoplada provê benefícios adicionais em termos capacidade de continuar a operação e/ou provê dados de navegação adequados para a extração segura da aeronave em caso de perda parcial do GPS; e 4) há indicativos que os atributos de Confiabilidade, Disponibilidade e Continuidade também foram positivamente afetados.