Содержание к диссертации
Введение
1. Модель спутниковой радионавигационной системы как объекта помехового подавления 20
1.1. Этапы развития спутниковых РНС 20
1.1.1. Потребители навигационной информации спутниковых РНС 22
1.2. Принципы построения и функционирования спутниковых РНС 24
1.2.1. Общие характеристики спутниковых РНС 24
1.2.2. Структура спутниковой радионавигационной системы 25
1.2.3. Сущность навигационной задачи и метод её решения 27
1.2.3.1. Навигационная задача 27
1.2.3.2. Методы решения навигационной задачи 28
1.2.3.3. Методы обработки навигационных сигналов и извлечения навигационной информации в спутниковых РНС 30
1.2.4. Структура навигационного сигнала спутниковых РНС 33
1.2.4.1. Характеристики сигнала спутниковых РНС 33
1.2.4.2. С/А-код спутниковой РНС GPS 36
1.2.4.3. Р-код спутниковой РНС GPS 37
1.2.4.4. Сигнал служебной информации спутниковой РНС GPS 41
1.2.4.5. Помехоустойчивое кодирование навигационной информации в спутниковых РНС 42
1.2.5. Бортовая аппаратура навигационных спутников СРНС 44
1.2.6. Помехозащищенность спутниковых РНС 44
1.2.6.1. Энергетические характеристики спутниковой РНС GPS 44
1.2.6.2. Помехозащищенность аппаратуры потребителей спутниковых РНС 46
3.4. Коэффициент подавления АП спутниковых РНС на этапе захвата навигационного сигнала 106
3.4.1. Расчетные соотношения 106
3.4.2. Методика оценки коэффициента подавления АП спутниковых РНС на этапе захвата навигационного сигнала 108
3.4.3. Коэффициент подавления АП спутниковой РНС GPS в режиме захвата навигационного сигнала 110
3.5. Коэффициент подавления АП спутниковых РНС на этапе слежения за временной задержкой кода навигационного сигнала 113
3.5.1. Расчетные соотношения 113
3.5.2. Методика оценки коэффициента подавления АП спутниковых РНС на этапе слежения за временной задержкой кода навигационного сигнала 121
3.5.3. Коэффициент подавления АП спутниковой РНС GPS в режиме слежения за временной задержкой кода навигационного сигнала 123
3.6. Дальность подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи с помощью АМП 127
3.7. Энергопотенциал передатчика активной маскирующей помехи, требуемый для подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи 136
3.8. Зоны подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи 145
3.8.1. Определение зон подавления АП спутниковых РНС 145
3.8.2. Методика расчета зон подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи 147
3.8.3 Расчет зон подавления АП спутниковой РНС GPS 147
3.9. Выводы по главе 3 152
4. Технически реализуемые предложения по организации помехового подавления АП спутниковых РНС 154
4.1. Вводные замечания 154
4.2. Требования к энергетике постановщика активных помех для подавления АП спутниковых РНС в ближней зоне 155
4.3. Требования к энергетике постановщика активных помех для подавления АП спутниковых РНС в средней зоне 156
4.4. Требования к энергетике постановщика активных помех для подавления АП спутниковых РНС в дальней зоне 158
4.5. Однопунктовая система подавления АП спутниковых РНС 160
4.6. Многопунктовая пространственно-распределенная система подавления АП спутниковых РНС 163
4.7. Выводы по главе 4 168
Заключение 169
Список использованной литературы 171
Приложение 179
- Методы обработки навигационных сигналов и извлечения навигационной информации в спутниковых РНС
- Коэффициент подавления АП спутниковой РНС GPS в режиме захвата навигационного сигнала
- Дальность подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи с помощью АМП
- Многопунктовая пространственно-распределенная система подавления АП спутниковых РНС
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Главная причина прогрессивных изменении в навигации на рубеже XX и XXI веков связана с созданием и применением спутниковых радионавигационных системы (РНС). В США разработана и используется система GPS/Navstar, её российским аналогом является система ГЛОНАСС. Спутниковые РНС - это высокоточные системы навигационно-временного обеспечения, позволяющие эффективно определять и использовать в реальном времени трехмерные координаты и составляющие вектора скорости объекта.
Спутниковые РНС - одна из наиболее динамично развивающихся областей науки и техники. Это относится к модернизации самих спутниковых РНС, разработке таких дополнений спутниковых РНС как WAAS, EGNOS (GNNS-1), MS AS, работам по созданию Европейской глобальной спутниковой РНС ГАЛИЛЕО (GNNS-2); развитию дифференциальных подсистем со станциями наземного базирования и т.п. [29,92].
Уникальные возможности современных спутниковых РНС определяют широкий спектр и быстро растущее число потребителей навигационной информации (НИ) этих систем. С помощью спутниковых РНС решается широкий спектр задач в гражданской сфере: навигация, мониторинг земной поверхности, оптимизация маршрутов транспортных средств, спасение терпящих бедствие и т.д. [1-5,9,10,26,34,38,41,50].
Спутниковые РНС активно используются в военных целях: определение координат, скорости и ориентации объектов в пространстве, в системах наведения оружия различных типов и назначения. Информация спутниковых РНС используется для коррекции траектории полетов, выдачи целеуказаний и синхронизации различных систем во времени [1-
5,9,10,26,39,60-62]. Аппаратура потребителей спутниковых РНС размещается на сухопутных, морских, воздушных и космических объектах.
В настоящее время в ряде стран осуществляются программы по модернизации уже существующих или разработке новых средств вооружений, которые решают задачу навигации в той или иной степени с помощью спутниковых РНС [73-75,82-90].
Внедрение АП спутниковых РНС в системы наведения оружия и его носителей является в настоящее время одним из перспективных и интенсивно разрабатываемых направлений развития вооружений [73,75,82,88-90]. Постоянно совершенствуется и сама АП спутниковых РНС, улучшаются ее характеристики, меры помехозащиты, устройства и алгоритмы решения навигационной задачи (НЗ).
Широкий спектр применения спутниковых РНС в различных сферах и важность получаемой от них НИ определяет особый интерес к разработке мер противодействия решению НЗ в аппаратуре различных потребителей. Противодействие спутниковым РНС реализуется средствами помехо-вого подавления. В связи с этим, особую важность приобретает вопрос оценки помехозащищенности спутниковых РНС в целом и её аппаратуры потребителей (АП) в частности.
В спутниковых РНС для решения НЗ применяются псевдошумовые сигналы с большими базами и близкие к оптимальным корреляционные методы обработки этих сигналов в АП. Это обеспечивает высокий уровень энергетической, структурной и информационной скрытности излучений навигационных спутников (НС). В совокупности с пассивным (не-излучающим) характером функционирования АП и дополнительными мерами повышения помехоустойчивости обеспечивается высокий уровень помехозащищенности потребителей при решении задач своего местооп-ределения. Помеховое подавление АП спутниковых РНС существенным образом зависит от потребителей НИ, энергетических характеристик по-
становщиков активных помех (ПАП) и размеров требуемой зоны подавления, а также, от характеристик самой АП, информация о которых недоступна или ограничена.
При действии преднамеренных помех реально возникновение ситуаций, когда решение НЗ оказывается невозможным - критических ситуаций. Определение наиболее мешающих (создающих критические ситуации) помех, их параметров и способов создания вызывает интерес как у разработчиков АП, так и у разработчиков способов и средств подавления АП спутниковых РНС.
В зарубежных и отечественных источниках посвященных спутниковым РНС уделено значительное внимание вопросам помехозащищенности АП. Однако в части, касающейся действия преднамеренных помех, эти вопросы проработаны недостаточно. В литературе опубликовано мало материалов о результатах проведения подобных исследований [1-5, 9,10].
Мешающее действие радиопомех может проявляться в маскировке сигналов НС излучениями шумового или импульсного типов, энергетической перегрузке приемников АП, а также в дезинформирующем воздействии на АП специальными излучениями. Кроме того, вызывает интерес анализ возможности использования для подавления АП многопунктовых (распределенных в пространстве) систем подавления. Примером такой системы можно считать систему передатчиков подсвета подстилающей поверхности. Применение многопунктовых систем позволяет снизить требования к энергопотенциалу ПАП, путем размещения в требуемой зоне подавления определенного числа ПАП малой или средней мощности.
С учетом сказанного, актуальна задача прогнозирования критических ситуаций при действии преднамеренных помех. Прогнозирование включает в себя определение признаков критических ситуаций, вероятности и времени их возникновения, а также типов и параметров помех, при действии которых такие ситуации реализуются за заданное время с заданными вероятностями.
Цель и задачи диссертации.
Цель работы - разработка методического аппарата прогнозирования критических помеховых ситуаций, определение видов, параметров и способов создания помех, действие которых на аппаратуру потребителей спутниковых РНС приводит к срыву решения навигационной задачи. Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка описательной модели спутниковых РНС как объекта поме-хового подавления.
Определение системы показателей надежности функционирования АП спутниковых РНС в условиях действия преднамеренных помех.
Разработка методического аппарата расчета показателей надежности функционирования АП спутниковых РНС.
Выявление наиболее опасные видов помех, их параметров и возможных способов создания.
Методы исследований основаны на использовании аппарата теории вероятностей и математической статистики, случайных процессов и сложных сигналов, математического анализа, анализа линейных и нелинейных радиоустройств, имитационного моделирования, а также теоретических основ радиотехники, радионавигации и радиоэлектронной борьбы. Научная новизна результатов состоит в следующем.
Разработана уточненная описательная модель современной спутниковой РНС как объекта подавления преднамеренными помехами.
Предложена система показателей надежности функционирования АП спутниковых РНС в условиях действия преднамеренных помех в виде совокупности вероятностных, временных и пространственных показателей.
Разработаны методики оценки показателей надежности функционирования АП на разных этапах решения НЗ при действии активных маскирующих помех (АМП). Получены зависимости показателей надежности от параметров АП, помехопостановщиков и размеров зоны подавления.
Получены аналитически и подтверждены методами имитационного моделирования соотношения для расчета вероятностей срыва поиска, захвата и слежения за навигационным сигналом за заданное время.
Разработаны методики расчета и получены количественные оценки коэффициентов подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи.
Разработаны методики оценки зон подавления АП спутниковых РНС с помощью АМП. Сформулированы требования к параметрам ПАП, при которых обеспечивается создание ситуаций срыва поиска, захвата или слежения за сигналом НС с заданными вероятностями и за заданное время.
Предложено раздельное рассмотрение задач подавления АП спутниковых РНС применительно к ближней, средней и дальней зонам.
Определены возможности подавления АП спутниковых РНС однопунк-товыми системами ПАП в ближней и средней зонах. Установлено, что задачи подавления АП в дальней зоне могут быть решены с применением многопунктовых распределенных в пространстве систем подавления. Научная и практическая ценность.
Разработанные в диссертации методики, а также результаты расчетов и рекомендации могут найти практическое применение при решении задач, связанных с анализом надежности функционирования различных радиотехнических систем (в том числе и АП спутниковых РНС) в условиях действия преднамеренных помех и с прогнозированием критических помехо-вых ситуаций. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе по дисциплинам радионавигации и радиоэлектронной борьбы. Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы внедрены в работы ФГУП «3 ЦНИИ МО РФ» (акт о внедрении приведен в приложении к диссертации), а также в НИР, выполненные в МАИ:
НИР "Изучение особенностей решения задач подавления ЛА с помощью глобальных спутниковых РИС в условиях действия преднамеренных помех" по гранту Министерства образования РФ, № 01200119084;
НИР "Модельный эксперимент по оценке влияния помех на решение задач навигации ЛА с помощью глобальной спутниковой навигационной системы" по программе сотрудничества Министерства обороны РФ и Министерства образования РФ, № 01200119087.
Теоретические материалы работы использованы в лекционном курсе "Теоретические основы средств РЭБ", читаемом на каф. 405 МАИ.
Достоверность полученных результатов обусловливается использованием в процессе исследований адекватной описательной модели современных спутниковых РНС, корректным использованием апробированного математического аппарата, комплексным применением методов математического и имитационного моделирования и логической обоснованностью выводов.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Отчетной конференции-выставке по программе "Транспорт" научно-технической программы Министерства образования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", Москва - Звенигород (2002г.); 1-й Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авиони-ки, Москва: Фазотрон-НИИР (2002г.); IV Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2002", Зеленоград: МИЭТ (2002г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано: 1 статья [103] и 3 тезиса докладов на научно-технических конференциях [17, 58, 76]. Результаты диссертации использованы в промежуточных и итоговых отчетах по двум НИР [101, 102].
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Надежность функционирования АП спутниковых РНС в условиях дей
ствия преднамеренных помех целесообразно оценивать системой вероят
ностных, временных и пространственных показателей качества подавле
ния, согласованных с этапами решения НЗ в АП, включающей:
- вероятности срыва поиска Pc_n^t, захвата Рся^ и слежения Рсс^
за заданное время At;
времена At, требуемые для срыва поиска, захвата и слежения за сигналом с заданными вероятностями Рсж/^ > Рс.з.Ы > ^ccAt
- дальности и зоны подавления АП спутниковых РНС на каждом эта
пе решения НЗ при заданных временах и вероятностях срыва.
Оценки вероятности срыва слежения PCXm^t за сигналом в АП спутниковых РНС за заданное время At могут быть получены с помощью предложенной методики, основанной на предположении о марковском свойстве последовательности событий "отсутствия срыва слежения", при этом связность марковской последовательности определяется параметром т критерия срыва слежения "« из W".
Задачу помехового подавления АП спутниковых РНС целесообразно рассматривать раздельно применительно к ближней, средней и дальней зонам в зависимости от характеристик потребителей навигационной информации спутниковых РНС. Границы зон составляют: ближняя зона R3n < 30км, средняя зона R3I7 = З0..807см и дальняя зона R3n > 80.. 100км.
4. При наличии ограничений на мощность помехопостановщиков подавление АП спутниковых РНС в ближней зоне возможно с помощью однопунктовых, в средней зоне - однопунктовых либо многопунктовых, в дальней зоне - многопунктовых систем подавления, при этом структура многопунктовых систем определяется необходимостью подавления АП в заданных направлении, угловом секторе или в полосе местности.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 191 машинописных страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Иллюстративный материал представлен в виде 64 рисунков и 33 таблиц. Список литературы включает 103 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе выполнен обзор литературы по материалам отечественных и зарубежных источников по следующим направлениям: этапы и перспективы развития спутниковых РНС; типы и характеристики потребителей навигационной информации спутниковых РНС.
Разработана описательная модель спутниковых РНС в условиях действия преднамеренных помех. Описаны структура спутниковых РНС, устройства и алгоритмы решения НЗ, характеристики сигналов НС. Установлены основные средства помехозащиты спутниковых РНС, заложенные на этапе разработки данных систем, а также дополнительные средства, разрабатываемые и используемые в конкретных образцах АП.
Наличие уточненной описательной модели спутниковых РНС как объекта помехового подавления позволяет перейти к анализу возможности подавления АП спутниковых РНС с помощью маскирующих и дезинформирующих помех. По результатам рассмотрения алгоритма решения НЗ и возможностей помехового подавления АП спутниковых РНС на разных этапах первичной обработки НИ разработана система критериев надежности функционирования (показателей качества подавления) АП спутниковых РНС. Система показателей качества подавления включает в себя вероятностные, временные и пространственные показатели.
Во второй главе проанализированы возможные методы помехового подавления АП спутниковых РНС и оценка их перспективности.
Рассмотрены возможности подавления АП спутниковых РНС с помощью активных дезинформирующих помех (АДП): имитирующих по-
лезный навигационный сигнал, искажающих сигнальную функцию навигационных измерителей и уводящих помех.
Установлена возможность создания имитирующих помех на этапе поиска с помощью передатчиков генераторного или ретрансляторного типов, а также бесперспективность использования помех, искажающих сигнальную функцию измерителей, для срыва решения НЗ на этапах поиска, захвата и слежения за навигационным сигналом.
Установлено, что основной интерес представляет создание помех на этапе слежения за параметрами сигнала НС, поскольку на этом этапе АП функционирует большую часть рабочего времени, получая НИ. Срыв слежения может быть обеспечен применением уводящих по задержке помех (УВП) с помощью передатчиков генераторного или ретрансляционного типов. Решение этой задачи сопряжено со значительными техническими трудностями. Имеющиеся ограничения на динамический диапазон и геометрию расположения ПАП в пространстве не позволяют обеспечить высокую эффективность подавления АП спутниковых РНС на этапе слежения за сигналом НС с помощью УВП.
Во второй главе оценены также возможности подавления АП спутниковых РНС путем создания узкополосных, импульсных и комбинированных помех. Анализ показал низкую эффективность применения данных видов помех для подавления АП спутниковых РНС.
Таким образом, проведенная оценка возможности подавления АП спутниковых РНС с помощью АДП показала, что создание таких помех возможно только в режиме поиска (либо как дополнительная мера по усложнению общей помеховой обстановки). На наиболее важном этапе слежения за параметрами сигнала в АП создание таких помех проблематично. Найти простого и эффективного способа создания АДП, обеспечивающего гарантированное подавление АП на этапе слежения, не удалось.
В третьей главе рассмотрены основные энергетические соотношения, имеющие место при подавлении АП спутниковых РНС с помощью активных маскирующих помех (АМП) на разных этапах решения НЗ, определено условие подавления и параметры, необходимые для оценки эффективности подавления АП спутниковых РНС.
Получены соотношения и разработаны методики расчета показателей надежности решения НЗ в АП спутниковых РНС (показателей качества подавления Пкпо^)\ вероятностей поиска Рся^ и захвата РС-3ш^ навигационного сигнала на сопровождение в течение заданного времени At, а также вероятности срыва слежения Рсс^ за параметрами сигналом НС за заданное время At. Исследованы зависимости Рсл.аґ> Рс.з.Аїі Pcc.At от различных параметров и получены оценки этих показателей для спутниковой РНС GPS. Разработанные методики и полученные аналитические соотношения позволяют определять вероятностные и временные Пкпо$ .
Было проведено компьютерное имитационное моделирование процесса срыва слежения за задержкой кода навигационного сигнала в условиях действия АМП. Сравнение оценок полученных на имитационной модели с результатами аналитических расчетов позволяют сделать заключение о высокой точности предложенной методики оценивания вероятности срыва слежения -РС-С.д/ .
Получены теоретические соотношения и разработаны методики расчета коэффициента подавления АП спутниковых РНС. Исследованы зависимости Кп от характеристик АП, от размеров требуемой зоны подавления, а также от длительности временного интервала At, в течение которого необходимо обеспечить срыв выполнения того или иного этапа решения НЗ с заданной вероятностью.
Разработаны методики расчета пространственных показателей качества подавления - дальностей и зон подавления АП спутниковых РНС, а
также требуемых для подавления АП энергопотенциалов передатчика АМП. По этим, методикам на примере спутниковой РНС типа GPS рассчитаны дальности и зоны подавления АП спутниковых РНС, а также энергопотенциалы ЭППАП передатчиков АМП, требуемые для обеспечения подавления АП спутниковых РНС.
В четвертой главе представлены технически реализуемые предложения по возможным вариантам построения системы подавления АП спутниковых РНС с помощью АМП.
На примере АП спутниковой РНС типа GPS определена требуемая энергетика передатчиков АМП и предложены варианты однопунктовых (состоящих из одного ПАП) и многопунктовых (распределенных в пространстве) систем подавления. Представлены возможные варианты организации таких систем, их характеристик и параметров образующих их ПАП в зависимости от формы и размеров требуемой зоны подавления. Применение многопунктовых систем позволяет снизить требования к величине ЭППАП одиночного передатчика АМП, путем размещения в требуемой зоне определенного числа ПАП малой или средней мощности.
Показано, что принцип организации системы ПАП зависит от того, в какой зоне нужно обеспечить подавление АП. Подавление в ближней зоне (R-зл - ЗОкж) может быть обеспечено с помощью одиночного передатчика АМП. В средней зоне (R3n < 80км) - с помощью однопунктовой или мно-гопунктовой систем подавления, в зависимости от наличия или отсутствия дополнительных мер помехозащиты АП. Для обеспечения подавления АП в дальней зоне (Язп ^ 80.. 100км) целесообразно использовать многопунк-товые системы помехового подавления. Представлены варианты размещения ПАП в составе многопунктовой системы при защите объекта в заданных направлении, полосе местности и угловом секторе.
Методы обработки навигационных сигналов и извлечения навигационной информации в спутниковых РНС
В 50-х годах была подтверждена возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим ИСЗ. Также, была установлена возможность решения обратной задачи - нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого ИСЗ известны [6].
В 60-х годах были созданы первые спутниковые РНС, отечественная "Цикада" и американская "Transit". Характерной чертой спутниковых РНС первого поколения явилось применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. Кроме того, в этих системах был невозможен непрерывный режим работы.
В 80-х годах начались активные работы по созданию СРНС второго поколения, в которых были устранены многие недостатки, характерные для СРНС первого поколения. В настоящее время эксплуатируются американская система GPS/Navstar и российская ГЛОНАСС, принципы построения, архитектура и решаемые задачи которых близки друг другу. Основные характеристики, структура и особенности решения НЗ в данных системах рассмотрены ниже, на примере системы GPS (GPS в настоящее время играет доминирующую роль в обеспечении НИ различных потребителей).
Дальнейшее развитие и модернизация системы GPS определяется постоянным совершенствованием АП, разработкой дифференциальных систем, комплексированием своей работы с системой ГЛОНАСС. Продолжают создаваться другие системы на базе GPS: система MS AS (Япония) и широкозонная система функционального дополнения WAAS (США) [101].
В настоящее время активно продолжаются работы по европейскому проекту глобальной навигационной спутниковой системы (Global Navigation Satellite System - GNSS) [90,93]. Предполагается, что проект GNSS будет реализован в два этапа: GNSS-1 и GNSS-2.
На первом этапе (2001-2003 гг.) создается Европейская геостационарная система навигационного дополнения - European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), которая будет предоставлять те же услуги, что и GPS/ ГЛОНАСС. Система EGNOS обеспечит для потребителей НИ систем GPS и ГЛОНАСС улучшение характеристик точности, целостности и доступности. Сигналы EGNOS передаются двумя спутниками INMARSAT-III. Работая вместе, они обеспечат покрытие не только всей Европы, но также Африки, Южной Америки и большей части Азии.
Основная часть проекта GNSS-2 базируется на создании новой спутниковой системы Galileo. Предполагается, что система будет состоять как минимум из 21 НС (на орбитах высотой 24000 км, с возможным дополнением геостационарными НС на высоте 36000 км) и соответствующей наземной инфраструктуры. Эксплуатацию Galileo планируется начать в 2005 году.
В отличие от систем GPS и ГЛОНАСС, европейская система будет находиться в ведении невоенной организации. При этом пользователи смогут выбирать данные спутника любой из систем. Другими преимуществами системы Galileo должны стать высокая скорость передачи навигационных данных и возможность ежесекундно сообщать пользователю в навигационном сигнале о состоянии работоспособности каждого спутника.
После ввода в строй Galileo и запланированной на 2005 г. модернизации системы GPS в L-диапазоне будут независимо функционировать две СРНС, каждая из которых будет обслуживать как свой сравнительно небольшой контингент зарегистрированных пользователей, так и гражданских потребителей. Последние смогут воспользоваться услугами обеих систем, что значительно повысит точность и оперативность определения местоположения объекта и доступность навигационных данных.
Несмотря на выше приведенные данные о перспективах создания и развитии глобальных спутниковых РНС, очевидно, что доминирующую роль в решении задачи обеспечения потребителей навигационной информацией играет американская спутниковая РНС GPS. В связи с этим, в данной работе особое внимание будет уделено именно этой системе. Уникальные возможности спутниковых РНС определили широкое использование АП спутниковых РНС для навигации различных объектов.
В настоящее время в литературе появляются статьи о состоянии и перспективах развития уже существующих и только разрабатываемых средств вооружений. К таковым можно отнести модернизацию снарядов, авиационных бомб, ракет, самолетов и прочее [73-75,82-89].
По данным [73, 89] за рубежом ведутся активные работы по модернизации существующих артиллерийских снарядов - боеприпасов с корректируемой траекторией (БКТ). БКТ - это модернизированные уже имеющиеся или только разрабатываемые артиллерийские боеприпасы, которые используют сигналы системы GPS/Navstar для повышения точности стрельбы. Данная система обеспечивает определение реальных координат снаряда, которые сравниваются с вычисленными перед выстрелом параметрами траектории.
Процесс обработки сигналов может размещаться на БКТ или входить в состав системы управления огнем орудия, то есть выполняться в наземном варианте. Команды управления изменением траектории полета снаряда формируются при использовании сигналов от GPS, а реализуются путем использования хвостового оперения, аэродинамических поверхностей, баллистического тормоза и/или маршевого двигателя. Максимальная дальность стрельбы существующих БКТ достигает 30 км. Аппаратура потребителя GPS, размещаемая на БКТ, не содержит специальных мер помехозащиты.
Программа модернизации авиационных бомб с целью повышения их точностных характеристик аналогична выше описанной программе модернизации артиллерийских боеприпасов. УАБ - это управляемые авиационные бомбы (выпущенные в больших количествах в прежние годы и уже не отвечающие современным требованиям по точности попадания), конструкция которых модернизирована путем добавления комплекта аппаратуры потребителя GPS, аэродинамических поверхностей и баллистических тормозов [85,98].
В ряде стран проводится комплекс мероприятий, направленных на дальнейшее повышение эффективности применения ударных ЛА и авиационного вооружения. Одним из направлений работ является создание специализированных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) многоразового использования [74,87], основным предназначением которых будет обнаружение, идентификация и поражение наземных целей, подавление средств систем ПВО противника, а в перспективе - борьба с воздушными целями противника. Вывод БЛА в район цели осуществляется по инерциальной системе управления (ИСУ) с коррекцией по данным от СРНС. Скорость полета разрабатываемых БЛА варьируется от 120 до 370 км/ч, практический потолок от 1 до 20 км и дальность действия от 10 до 6000 км [74].
Коэффициент подавления АП спутниковой РНС GPS в режиме захвата навигационного сигнала
Спутниковая РНС является пассивной, беззапросной системой, использующей ПШС с большой базой, близкие к оптимальным приемники для их приема и ряд специальных мер помехозащиты, за счет чего и достигается высокая степень скрытности и помехоустойчивости спутниковых РНС. В [1-5,10,21-23] рассмотрены способы повышения помехозащищенности АП спутниковых РНС. К ним можно отнести: - сужение полос ССЗ и ССН за счет комплексирования АП спутниковых РНС с другими навигационными устройствами (использование дополнительной навигационной информации от этих средств); - использование пространственно-избирательных антенн (наведение узконаправленных лучей антенны АП на НС или адаптивное выставление минимумов диаграммы направленности антенны в направлении помех); - включение после антенны преселекторов на частоты L1 и L2; - использование ограничителей мощности, которые наряду с ограничением мощности помех защищают входной СВЧ усилитель от выгорания; - включение в УПЧ до коррелятора ограничителя импульсных и синусоидальных помех до уровня тепловых шумов; - использование дифференциальных поправок для увеличения точности навигационных определений; - дополнительная модуляция принимаемого сигнала Y-кодом. Перечисленные приемы обеспечивают помехоустойчивость аппаратуры потребителя GPS в режиме поиска С/А-кода на уровне превышения помехи над сигналом - 25 дБ, а при слежении за Р-кодом - 40 дБ (см. [3]). 1.2.6.3. Средства подавления помех в аппаратуре потребителей спутниковых РНС
Входной сигнал с приемной антенны поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ), который имеет на входе ограничитель импульсных помех и систему АРУ, исключающую перегрузку МШУ входными сигналами. При обнаружении в спектре сигнала узкополосной помехи, сигнал поступает на вход АЦП и далее в блок подавления помех Suppressor (в GPS обычно используют два цифровых Suppressor a компенсационного типа). Suppressor может одновременно подавить до трех помех.
Suppressor представляет собой аппаратно-программный комплекс и содержит три Anti-Jam модуля (AJM). AJM вырабатывает копию помехи, которая затем вычитается из сигнала с выхода АЦП. Полученный таким образом разностный сигнал с подавленной помехой подается в каналы слежения за полезным сигналом.
Прохождение смеси сигнала и помехи через AJM эквивалентно прохождению через режекторный фильтр, причем полоса режекции эквивалентного фильтра может изменяться в двоичнократном отношении в пределах от 5 до 80 кГц (по уровню - 40дБ). Настройка AJM на частоту помехи производит программная часть, использующая результаты циклической работы имеющегося в составе Suppressor a простого цифрового анализатора спектра последовательного типа. Полоса эквивалентного фильтра анализа обратно пропорциональна времени интегрирования, которое составляет 0,2 мс.
Частота опорного генератора с постоянным шагом перестраивается в частотном диапазоне и к концу цикла анализа длительностью 0,7 мс ЦАС определяет уровень и частоту максимальной спектральной компоненты входного процесса с точностью ±60кГц. Далее сравнивается полученное значение уровня с пороговым и в случае его превышения фиксируется факт наличия помехи. Точная оценка частоты помехи образуется в результате двух итераций спектрального анализа по 0,7 мс каждая в зоне неопределенности по частоте. Минимальный шаг по частоте опорного генератора равен 2А4кГц (соответственно максимальная точность оценки частоты помехи составляет ± 122кГц ). ЦАС работает циклически, с его помощью AJM как бы "следит" за частотой помехи. Suppressor может за счет потери точности оценки частоты помехи (около ± 60кГц ) сократить время этой оценки с 2 мс до 0,7 мс.
После обнаружения помехи её полоса неизвестна, поэтому выполняется процедура пошаговой адаптации полосы режекции к полосе помехи. Сначала полоса AJM устанавливается равной 20 кГц. После окончания переходных процессов проводится спектральный анализ разностного сигнала. Если помеха не обнаружена, то полоса режекции превышает полосу помехи. Далее полоса режекции уменьшается вдвое и анализ повторяется. Эта процедура повторяется, пока не будет установлена самая узкая полоса режекции или пока ЦАС вновь не обнаружит на той же частоте помеху. После этого полоса режекции расширяется вдвое и процедура адаптации заканчивается.
Если, после установки начальной полосы режекции 20 кГц, ЦАС снова обнаруживает помеху в сигнале, то полоса будет расширяться после каждого цикла анализа в два раза, пока не будет зафиксировано отсутствие помехи в разностном сигнале или пока не будет установлена самая широкая полоса режекции. Величина подавления помех Suppressor ом достигает [-50.. - 60]дБ.
Одним из основных элементов подавителя является многоуровневый АЦП с относительно большим запаздыванием (более 100 нсек). В результате может появиться значительный сдвиг между диапазонами L1 и L2, неучет которого может полностью нарушить ВТО. Кроме того, включение подавителя во время работы приемника GPS приводит к переходным процессам и (на определенное время) к срыву синхронизма в следящих системах. А именно, размах ДХ ССЗ по Р-коду порядка ± 100нс, поэтому ССЗ по Р1 и Р2 кодам выйдут из синхронизма, а в ССЗ по С/А-коду потери синхронизма не произойдет, но появится ошибка порядка 30м и начнутся относительно длительные переходные процессы (из-за узкой полосы ССЗ). 1.2.6.4. Возможные варианты помехового подавления аппаратуры потребителей спутниковых РНС
Для АП спутниковых РНС характерна высокая степень помехозащищенности. В [8,14,16,33,36] рассмотрены теоретические аспекты воздействия помех на системы, использующие сложные ПШС. Ниже рассмотрены возможные виды помеховых воздействий на АП спутниковых РНС.
Наиболее эффективным видом помеховых воздействий на системы, использующие сложные сигналы, обладают помехи, спектр которых близок к спектру полезного сигнала [8,14,16,33,36]. К таковым относится активная маскирующая помеха (прямошумовая помеха с полосой равной полосе навигационного сигнала) и помехи, закон формирования которых близок или повторяет закон формирования сигнала НС - имитирующая помеха и помеха искажающая сигнальную функцию измерителя.
Помеха, повторяющая полезный сигнал, будет мешать приему только при условии, что её мощность примерно в Вс1\0 раз больше мощности полезного сигнала или мощность помехи соизмерима с мощностью сигнала и имеет место совпадение основных корреляционных выбросов при наложении помехи и сигнала с точностью по задержке Тс1 Вс и по частоте А/с/2-Вс [8].
Поскольку помехопостановщик, НС и АП СРНС случайно разнесены в пространстве, работают независимо и находятся в движении, то вероятность такой ситуации мала, и тем меньше, чем больше база Вс.
Дальность подавления АП спутниковых РНС на разных этапах решения навигационной задачи с помощью АМП
В этой главе проанализирована возможность помехового подавления АП спутниковых РНС с помощью дезинформирующих помех: имитирующих навигационный сигнал, искажающих сигнальную функцию навигационного измерителя, а также уводящих помех. Определены параметры и способы создания данных помех. Рассмотрен вариант построения распределенной в пространстве системы ретрансляторов для подавления АП спутниковых РНС, Определены энергетические характеристики и геометрия расположения ретрансляторов в пространстве.
Проанализировано дезинформирующее воздействие узкополосных и импульсных помех на АП спутниковых РНС. Также, рассмотрены способы подавления АП спутниковых РНС, учитывающие меры помехозащиты АП, и комплексное использование различных видов помех и моментов их создания.
На современном уровне развития средств и методов помехового подавления дезинформирующие помехи считаются предпочтительными, поскольку они могут быть созданы относительно маломощными передатчиками.
В спутниковых РНС для передачи навигационной информации используются сложные сигналы, уровень мощности которых много меньше уровня собственных шумов на входе приемника АП спутниковых РНС (см. п. 1.2.6.1). В связи с чем, предполагается существенный выигрыш в энергетике при использовании АДП для подавления АП спутниковых РНС по сравнению с АМП, воздействие которых на АП спутниковых РНС рассмотрено в третьей главе. Кроме того, вызывает интерес анализ способов подавления АП спутниковых РНС за счет использования дополнительных мер помехозащиты, реализованных в АП спутниковых РНС.
Модель функционирования спутниковых РНС, алгоритм решения НЗ и особенности используемых навигационных сигналов позволяют сделать выводы о том, что использование имитирующих помех (ИМП) для подавления АП спутниковых РНС возможно только на этапе поиска сигнала НС, путем создания ложных сигналов НС в различных элементах области поиска навигационного сигнала в АП спутниковых РНС.
Это связано с тем, что на других этапах решения НЗ (захвата и слежения за сигналом НС) аппаратура потребителей анализирует один элемент области поиска на факт наличия в нем сигнала НС (см. п. 1.2.9). Определенному элементу области поиска соответствуют определенные параметры сигнала НС (временная задержка дальномерного кода г и доплеровский сдвиг несущей частоты Fd), точная имитация которых в помеховом сигнале практически невозможна, т.к. не представляется возможным определить значения г и Fd, с которыми навигационный сигнал приходит в приемник АП и, следовательно, тот элемент области поиска, за которым осуществляют слежение схемы слежения АП спутниковых РНС.
Применительно к спутниковой РНС типа GPS создание имитирующих помех в режиме поиска возможно следующими средствами: 1. По С/А-коду с помощью передатчиков генераторного или ретрансля-торного типов. Создание ИМП с помощью генератора возможно, т.к. С/А-код известен. При этом ложные сигналы могут быть созданы как с упреждением, так и с запаздыванием по времени по отношению к истинным сигналам НС. При использовании передатчика-ретранслятора возможно создание ИМП с запаздыванием относительно истинного сигнала. 2. По Р-коду с помощью передатчиков ретрансляторного типа. Формирование ИМП с помощью генераторов невозможно, т.к. Р-код неизвестен. Имитирующая помеха, создаваемая ретранслятором, может быть создана только с запаздыванием по отношению к истинному сигналу. Генерация ИМП в виде копии навигационного сигнала с заданными значениями т и Fd сигнала НС, соответствующего определенному элементу области поиска, в принципе возможна. Например, устройство генерации С/А-кода системы GPS приведено в литературе [1-3]. Используя для модуляции несущей кодовые последовательности, снятые с разных выводов регистра сдвига (см. п. 1.2.4.2) или варьируя частоту несущей в диапазоне возможных изменений доплеровского сдвига частоты сигнала НС, возможно создание ИМП для любого элемента области поиска в аппаратуре потребителя GPS. Создание ИМП для разных элементов области поиска (с разными т и Fd) на этапе поиска сигнала НС позволяет увеличить вероятность ложного обнаружения и захвата в АП, и как следствие время поиска и вероятность срыва поиска навигационного сигнала в АП спутниковых РНС. В случае, когда мощность ИМП РИМп.вх меньше мощности полезного сигнала на входе приемника АП Рсвх, то помеха не будет оказывать дезинформирующего воздействия на прием полезного сигнала НС, а если Римп.вх Рсш.вхі т0 помехозащищенная АП, обнаружив факт наличия помехи, частично или полностью обеспечит её подавление.
Многопунктовая пространственно-распределенная система подавления АП спутниковых РНС
Анализ характеристик и описательной модели функционирования спутниковых РНС позволяет рассмотреть вариант решения задачи подавления АП с использованием особенностей реализованных мер помехозащиты в АП.
В АП спутниковых РНС в качестве меры помехозащиты может использоваться адаптируемая антенная решётка, которая выставляет "нули" ДН в направлении источников помех (см.п. 1.2.6.2). Причем помехой считают любой сигнал, мощность которого превышает уровень собственных шумов приемника Рсшвх « 1(Г!3Вт (см. п. 1.2.6.1), так как уровень полезного сигнала много меньше уровня собственных шумов приемника АП спутниковых РНС.
В этом случае, передатчик любых помех, создающий на входе АП спутниковых РНС уровень мощности помехи Рпвх Рсшвх и размещенный между НС и АП, как это было в случае ретрансляционной УВП (см. п.2.3), вызовет формирование провала в ДН антенны АП в своем направлении, и, как следствие, в направлении навигационного спутника. Следовательно, полезный навигационный сигнал на входе будет подавлен самой АП.
Размещая в пространстве вокруг защищаемого объекта такие ПАП (например, как на рис.2.2), можно вызвать существенное ослабление уровня мощности на входе приемника АП сигналов тех НС, которые разнесены по угловому расстоянию (азимуту и углу места) в пространстве относительно ПАП в пределах ширины создаваемого провала в направлении на помеху в ДН адаптивной антенной решетки АП спутниковых РНС.
Геометрические аспекты размещения ПАП определяются требуемой дальностью подавления и угловой шириной провала ДН антенны АП (по аналогии с характеристиками распределенной системы ретрансляторов, см. п.2.3).
Подавление АП спутниковых РНС за счет использования особенностей мер помехозащиты, так же как и вариант подавления с помощью ретранслируемой УВП, позволяет подавить АП в ограниченном числе случаев, при выполнении условия нахождения НС и ПАП в одном угловом элементе разрешения (в провале ДН) адаптивной антенной решетки АП.
Обеспечить выполнение этого условия затруднительно особенно для НС расположенных высоко над радиогоризонтом. Таким образом, данный вид помехового подавления может быть использован в качестве дополнительной меры, в комплексе с другими видами помехового воздействия.
Под комплексным подавлением АП спутниковых РНС понимается использование комплекса мер для решения задачи подавления АП. Полученные результаты в предыдущих пунктах ярко свидетельствуют о том, что решение задачи подавления АП с помощью одного вида помех не всегда возможно.
Возможность эффективного использования некоторых видов помех только на определенных этапах функционирования спутниковых РНС предполагает использование различных передатчиков помех, размещенных в разных точках заданной зоны подавления и создающих помехи в определенных направлениях и в определенное время. Таким образом, в большинстве случаев для защиты объекта необходимо использовать многопунктовую распределенную систему подавления АП спутниковых РНС.
На примере системы GPS можно предположить, что наиболее вероятно, что АП, находящаяся на борту ЛА уже находится в синхронизме по Р-коду с сигналом НС и функционирует в навигационном режиме (см.п.1.1.2). Таким образом, необходимо в первую очередь обеспечить срыв слежения за Р-кодом в схемах слежения АП.
Для этого в начале используются передатчики АМП (см. главы 3,4) и/или УВП, которые обеспечивают срыв слежения за сигналом НС в АП за счет уменьшения отношения сигнал/помеха на входе АП или увода следящих стробов схем слежения АП от полезного сигнала НС.
После того, как АП теряет полезный сигнал и переходит в режим поиска и перезахвата сигнала НС, появляется возможность использования ИМП для увеличения числа ложных сигналов по всей области поиска сигналов НС.
Использование совместно с передатчиками АМП, ИМП и УВП передатчиков узкополосных и импульсных помех обеспечивает усложнение помехо-вой обстановки в целом, увеличивает вычислительные затраты в АП на её анализ и принятие мер помехозащиты. А также, увеличивает отношение помеха/сигнал за счет не только увеличения суммарной плотности мощности помех, но и косвенно, из-за мер помехозащиты АП от узкополосных и импульсных помех (см. п.2.4). Этот же эффект достигается использованием любых видов помех, мощность которых превышает мощность полезного сигнала на входе приемника АП (см. п.2.5).
Тем не менее, в связи со всем выше сказанным, наиболее эффективным и простым способом обеспечения подавления АП спутниковых РНС необходимо признать использование АМП, несмотря на большие значения требуемого энергопотенциала передатчиков помех. Анализ полученных результатов в этой главе позволяет сделать следующие выводы: 1. Использование активных дезинформирующих помех для подавления АП спутниковых РНС позволяет существенно снизить требования к энергопотенциалу помехопостановщика. Но при этом, передатчик АДП может обеспечить подавление АП спутниковых РНС только при выполнении определенных условий в ограниченном числе случаев. 2. Использование имитирующих помех эффективно только на этапе поиска или допоиска навигационного сигнала в АП спутниковых РНС. Создание ИМП по С/А-коду возможно с помощью передатчиков генераторного или ретрансляторного типов, по Р-коду - с помощью ретранслятора. 3. Уводящая ретрансляционная помеха позволяет обеспечить срыв слежения за Р-кодом навигационного сигнала в АП спутниковых РНС, но имеющиеся ограничения на динамический диапазон и геометрию расположения ПАП в пространстве не позволяют обеспечить высокую эффективность решения задачи подавления АП спутниковых РНС на этапе слежения за сигналом НС с помощью уводящей помехи.
