CC BY
1154
УДК 621.396.96
БИСТАТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ СИГНАЛАМИ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
В.В. Кирюшкин, Д.А. Черепанов
В работе исследован энергетический потенциал сигнала спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС, рассеянного воздушной целью, и проведена оценка возможности его регистрации современными и перспективными приемниками СРНС в интересах радиолокации воздушного пространства
Ключевые слова: бистатическая локация, спутниковые радионавигационные системы, бистатическая ЭПР
Введение
В последнее время повышенный интерес исследователей проявляется к области новых и нетрадиционных методов радиолокации [1]. Речь, в первую очередь, идет о многопозиционных радиолокационных системах (МПРЛС), использующих методы бистатической «просветной» локации [1-4].
Так, в НИИ РТ под руководством профессора Бляхмана разработан радиолокационный комплекс "Барьер-Е", представляющий собой принципиально новый тип радиолокационного вооружения, использующий метод бистатической локации «на просвет». За счет "просветного" эффекта между передатчиком и приемником бистатической системы формируется область с исключительно высоким энергетическим потенциалом - радиолокационный барьер, позволяющий надежно обнаруживать малозаметные цели. Отличительной особенностью комплекса является то, что в качестве зондирующего сигнала используется излучение передатчика радиорелейной станции (РРС) в штатном режиме работы (связь, передача телекодовой информации). Мощность излучаемого сигнала при этом составляет всего 1 - 3 Вт [4].
Не менее перспективным направлением создания МПРЛС является использование в качестве зондирующего излучения широкополосных сигналов непрерывного излучения с большой базой (шумоподобных сигналов), в частности, сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС, GPS и GALILEO [1-3]. Передатчики спутников излучают когерентные псевдослучайные фазокодоманипулированные сигналы, привязанные к единой системной шкале времени. В условиях полной укомплектованности космических сегментов СРНС в зоне обзора наземного приемника всегда находится в среднем 16-20 спутников. В [2,3] рассматривается возможность применения космических аппаратов СРНС ГЛОНАСС и GPS в составе многопозиционных РЛС обзора земной поверхности с синтезированием апертуры антенны.
Кирюшкин Владислав Викторович - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-980-346-74-59 Черепанов Денис Александрович - ВАИУ, адъюнкт, тел. 8-915-584-74-27
В [2] приводятся результаты экспериментальных исследований с использованием разработанной в ОАО «МАК «Вымпел» неизлучающей радиолокационной системы, осуществляющей обработку отраженных от наземных и надводных объектов сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS. Результаты исследований подтверждают возможность построения радиолокационных изображений местности по отраженным сигналам СРНС, а также возможность совместной обработки сигналов от разных спутников для повышения качества полученных изображений.
Одной из основных задач, решаемых при создании «просветных» радиолокационных систем, является необходимость селекции слабого «полезного» сигнала, рассеянного целью, на фоне мощного мешающего сигнала прямого распространения. В [2] для выделения «полезных» сигналов используется метод пространственной селекции путем применения дополнительных узконаправленных антенн, ориентируемых на заданный участок местности.
Аналогичный метод пространственной селекции «полезного» сигнала предложен в [3] за счет применения специализированной аппаратуры приема отраженных сигналов, оборудованной пассивной фазированной антенной решеткой с числом формируемых лучей, соответствующим количеству сопровождаемых целей.
Целью настоящей работы является синтез алгоритма обработки навигационных сигналов, рассеянных воздушной целью, обоснование структуры соответствующей наземной приемной навигационной аппаратуры потребителя (НАП) СРНС, использующей штатную антенну и метод временной селекции «полезных» сигналов. При этом необходимо оценить энергетический потенциал «полезного» сигнала и возможность его регистрации современными и перспективными приемниками СРНС.
1. Постановка задачи
Пусть в зоне радиовидимости приемника НАП, размещенного на поверхности земли в точке с достоверно известными геоцентрическими координатами (X0,Y0,Z0), находятся N навигационных спутников (НС). В пределах непрерывного электромагнитного поля, создаваемого сигналами,
излученными НС, находится воздушная цель с координатами (Хц ,Гц, 2 ц).
За счет многолучевого распространения, сигналы НС, рассеянные воздушной целью Бц , поступают на вход приемника НАП наряду с навигационными сигналами прямого распространения Б. Входная реализация приемника будет представлять собой аддитивную смесь сигналов прямого распространения, сигналов, отраженных от цели, и шумовой помехи и(^):
Г (X) = 5 (X, Ж( П (X), X)) + 8ц (X, Жц (Ц (X), X)) + п(1) ,(1)
где Ж(Х) - вектор параметров сигнала прямого распространения, П(X) - вектор состояния потребителя, Ж (X) - вектор параметров сигнала, отраженного от цели, Ц (X) - вектор состояния цели.
Сигнальная функция прямого распространения состоит из непрерывных сигналов отдельных спутников:
S (t, Х( П (t), t)) = YN=1 S (t, x. (П (t), t)),
(2)
где j - номер спутника.
В свою очередь сигнальная функция цели будет состоять из тех же непрерывных сигналов спутников, рассеянных целью:
,=1 ,Жц,j(Ц (X), X)), (3)
S,(t) = Ац,jGдк (t -Тц,, (t))Gнс (t - Тц,, (t)) X
X cos( a 0,jt + 2nfd, ,t + Я>0ц,,),
(4)
где Ац j - амплитуда, Тц. - задержка, /д . - доп-леровское смещение частоты, (р0ц . - начальная
фаза сигнала j НС, рассеянного целью.
Алгоритм поиска сигнала стандартной точности одного НИСЗ рассмотрим на интервале одного бита передаваемого навигационного сообщения, т.е. где ОНС можно считать постоянной и из анализа исключить. Тогда входную реализацию одного канала приемника можно записать в виде:
Г(X) = 5(^ Т/д,щ)) + 5ц (Х, Тц,/дц,щ)) + п(0 =
= АОдК(X - т) cos(ЮoX + 2п/^ + фо) +
+ АцОДК -Тц ) COS(®0X + 2Пд^ + %ц ) + П(^) ' (5)
где А, Т, /д ,ф0 - амплитуда, задержка, частота
Доплера и начальная фаза навигационного сигнала прямого распространения.
В поставленной задаче необходимо оценить тц и/ц, при этом значение (р0ц можно считать неинформативным параметром.
Из теории оптимального оценивания [5] следует, что максимум информации о случайных параметрах сигнала содержится в апостериорной плотности вероятности, выражение для которой может быть представлено в виде:
В ходе исследований необходимо синтезировать алгоритм обработки сигналов НС в приемнике НАП, позволяющий обнаружить полезный сигнал, рассеянный целью, оценить вектор его параметров
что в свою очередь позволит оценить вектор
состояния Ц (X) воздушной цели. При этом необходимо минимизировать аппаратные доработки штатного приемника НАП СРНС, позволяющие реализовать такой алгоритм.
2. Алгоритм поиска полезного сигнала, рас-
сеянного целью
Навигационный сигнал СРНС стандартной точности представляет собой фазокодоманипули-рованный на П сигнал, в котором модулирующая последовательность образуется в результате сложения по модулю 2 двух последовательностей: дальномерного кода ОдК и кода навигационного
сообщения ОНС . Поскольку в СРНС радионавигационными параметрами являются задержка сигнала и допплеровское смещение частоты, то выражение для сигнала .-го НС, рассеянного целью можно представить:
Р(Тц , fd4 / Yt'°+T ) = СРар (Тц )Рар (fd4 У
4Е„
-X (T)
(6)
где У‘° T = ^(t), t е [t0, t0 + T] - входная реали-
rXo +
x0 УУ1)?1 *= ^о^о
зация на интервале наблюдения, рр (тц), рр( /дц) -
априорные плотности вероятности распределения задержки и доплеровской частоты сигнала, рассеянного целью, Ец - энергия принятого сигнала, рассеянного целью; X (Т) - огибающая сигнала на выходе коррелятора.
Располагая АПВ можно определить оценки
€ и /дц, соответствующие максимуму АПВ:
Н, Д }= тах-1 € {р(тц,/дц /Г/о°+Т)} (7)
Априорные распределения Рар (Тц ), Рар (f,дц )
приняты равномерными и определяют только интервалы А Тц и ^дц, на которых осуществляется поиск
оценки Тц и /дц. С учетом того, что 10 - является монотонной функцией можно записать:
{€ , Д }= max-1 € {X(Т, Тц , -/дц )}
(8)
На практике для решения задачи координатно-временного обеспечения в обычном навигационном приемнике при определении оценок задержки и доплеровского смещения частоты навигационного сигнала вся область поиска по задержке А Т и по частоте А/ разбивается на дискретные интервалы, и для каждой точки двухмерный области определяется значение X(Т, Тц, /д ) . При этом, значении Т1, где 1 = 1, N Т и /д., где . = 1, N/ , которые соответствуют максимуму X(Т, Т, /д ), считаются оценками Т и /д сигнала прямого распространения.
В рассмотренной задаче входная реализация у^) наряду со слабым «полезным» сигналом, рассеянным целью (X, Тц, /дц, (р0ц) , содержит в себе более мощный сигнал прямого распространения 5 (X, Т, /д ,^0), который можно рассматривать как
коррелированную помеху.
Уровень огибающей сигнала на выходе коррелятора определяется амплитудой принимаемого сигнала А , а так же отклонением значения задержки А Т и частоты Доплера А/д опорного сигнала
коррелятора от истинных значений и / д принимаемого сигнала
З.Соотношение уровней навигационного сигнала прямого распространения и сигнала, рассеянного целью
В соответствии с обобщённым уравнением радиолинии с потерями мощность сигнала прямого распространения, излученного передатчиком НС и принятого приемником СРНС, будет определяться выражением:
Рпрм =
P д G д G Л2
прд прд прм
прм (4п)2 D]n К АТ К пш Кпр
(10)
где КАТ = 2 дБ - коэффициент затухания в атмосфере, К пол =1 дБ - коэффициент затухания связанный с поляризационными потерями, К пр =4 дБ - прочие потери, Рпрд - мощность излучения передатчика НС, Опрд - коэффициент направленного действия передающей антенны, Опрм - коэффициент направленного действия приемной антенны, - дальность радиолинии «спутник - приемник», Ж - длина волны навигационного сигнала. Для типовой радиолинии Рпрд =64 Вт (18 дБ
Опрд =10 ^ Опрм =3 ^ Асп =19100 км м°щ-ность сигнала на входе приемника будет составлять -160 дБ/Вт [6].
Для сигнала навигационного спутника, рассеянного целью и принятого навигационным приемником, мощность будет определяться с учетом радиолокационных свойств цели:
X (Т) =
АТ
2
Р(А т)
пА/дТ
(9)
Р„м„ =-
P G G Л
прд прд прм
(4п)3 D2 D2 Кат Кпол Кщ
(11)
где р(А т) - корреляционная функция псевдослучайной последовательности дальномерного кода.
Поскольку сигнал прямого распространения и сигнал, рассеянный целью, являются одним и тем же сигналом НС, прошедшие разными путями 1 и
2, то вид корреляционной функции дальномерного кода для них будет одинаковый, а разница в уровне сигнала на выходе коррелятора X(Т) при приеме сигнала прямого распространения (при Т = € /д = Л ) и Xц (Т) при приеме сигнала, рассеянного целью (при Т = £ц , /д = /дц), будут обуславливаться только амплитудой принимаемых сигналов прямого распространения А и рассеянного целью Ац . ц
где Dc_ц - дальность радиолинии «спутник - цель», D4_п - дальность радиолинии «цель - приемник»,
сц - эффективная площадь рассеяния цели.
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) является важнейшей радиолокационной характеристикой цели. Для однопозиционной радиолокации ЭПР отражает способность цели рассеивать электромагнитную энергию в направлении, противоположном направлению облучения. В рассмотренной задаче мы имеем дело с бистатической радиолокационной системой (БСРЛС), в которой при описании отражающей способности цели необходимо учитывать возможные различные направления от цели на передающую (навигационный спутник) и на приемную (наземный приемник) позицию. Такой характеристикой является бистатическая ЭПР цели сб, значение которой будет зависеть от величины бис-
татического угла в от цели на передающую и на приемную позиции [7].
При малых бистатических углах в < 130° значение бистатической ЭПР заданной цели можно найти на основании известной ЭПР для однопозиционной радиолокации в соответствии с теоремой эквивалентности [7]. Согласно этой теореме для бистатической РЛС с рабочей длиной волны Ж бистатическая ЭПР цели об будет совпадать с ЭПР о эквивалентной цели для однопозиционной
РЛС, находящейся на биссектрисе бистатического угла в и работающей на длине волны Ж/cos(в/2). При этом площадь эквивалентной цели определяется частью площади реальной цели, освещенной передающей позицией и видимой из точки приемной позиции.
Особый интерес при определении бистатиче-ской ЭПР представляет эффект так называемой «просветной» локации, проявляющейся на биста-тических углах р> 130°, что характерно для рассмотренной задачи.
В соответствии с теорией электромагнитного поля, при помещении на пути распространения электромагнитной волны абсолютно чёрного тела конечных, но больших по сравнению с длинной волны размеров I >> Ж , позади тела появится теневое поле рассеяния. У реальных целей помимо теневого возникает также собственное поле рассеяния, которое, в соответствии с физической теорией дифракции, возбуждается токами, наведёнными на поверхности цели падающей волной.
Теневое и собственное поле рассеяния разнесены в пространстве. Теневое поле сосредоточено в узком телесном угле вблизи бистатического угла в = 180° [8], так что его можно называть полем «рассеяния вперёд». Ввиду того, что собственное поле рассеяния намного слабее теневого, при анализе полного поля рассеяния влиянием токов на поверхности цели пренебрегают. В этом случае можно считать реальную цель абсолютно чёрным телом, создающим только теневое поле рассеяния [7].
Отсюда следует, что в приближении физической оптики теневое поле цели не зависит от формы поверхности и полностью определяется теневым контуром цели, как и поле абсолютно чёрного тела. Кроме того, на теневое поле не влияет и материал поверхности цели, в частности радиопоглощающие покрытия, которые существенно ослабляют собственное поле рассеяния. Это очень важно для задачи обнаружения малозаметных целей, построенных по технологии «Стелс».
Согласно проведённым ранее исследованиям [7], бистатическая ЭПР для удалённой точки приёма при бистатических углах в = 130°-180°, определяется выражением:
сб(r) =-
4п Г/2пЛ 1 dS
2 ]| — р
Л2 St .\Л) _
(12)
где 5 - эквивалентная плоская синфазная апертура, перпендикулярная направлению распространения падающей волны и ограниченной проекцией на эту плоскость теневого контура цели, р - радиус-
вектор произвольной точки апертуры 5., Г - орт в направлении на приёмную позицию. Из (12) видно, что в предельном случае, когда в = 180° и Г ^ р, ЭПР достигает максимума и определяется выражением [1,7]:
С(180°) = 4п| ЛЛ
(13)
Одной из важнейших характеристик БСРЛС, непосредственно связанных с мощностью сигнала, рассеянного целью, является зона действия биста-тического звена, под которой понимается область пространства, в котором должна находиться цель, чтобы мощность полезного сигнала на входе приемника была не хуже граничного уровня. В настоящее время чувствительность приемников GPS и ГЛОНАСС обеспечивает прием навигационного сигнала мощностью не хуже -160 дБ/Вт, однако современные зарубежные и отечественные разработки позволили увеличить чувствительность приемников СРНС до -180 дБ/Вт [9] и -210 дБ/Вт [9]. Именно на эти перспективные разработки мы и ориентировали свои исследования при определении тактических характеристик рассматриваемой БСРЛС.
При выборе граничного уровня сигнала необходимо, кроме того, учесть, что в соответствии с (9) сигнал на выходе коррелятора будет промодулиро-ван корреляционной функцией псевдослучайной последовательности дальномерного кода, уровень боковых лепестков которой 1/L зависит от длины
L псевдослучайной М-последовательности. Для сигнала стандартной точности СРНС ГЛОНАСС длина М-последовательности составляет 511 бит, что соответствует уровню боковых лепестков корреляционной функции -27 дБ по мощности.
Для уверенной регистрации сигнала, рассеянного целью, при временной селекции «полезных» сигналов на фоне коррелированной помехи в виде более мощного сигнала прямого распространения необходимо, чтобы на выходе коррелятора уровень главного лепестка сигнала, рассеянного целью, был значительно выше уровня боковых лепестков сигнала прямого распространения. Задавшись граничным уровнем рассеянного целью сигнала -180 дБ/Вт мы можем обеспечить существенное превышение аппаратной границы чувствительности перспективных приемников СРНС (-210 дБ/Вт) и зна-
2
чительное (7 Дб ~ 5 раз) превышение уровня боковых лепестков сигнала прямого распространения.
Для определения зоны действия бистатиче-ского звена «спутник - цель - приемник» мы провели исследования зависимости теневой ЭПР типовой воздушной цели, а также мощности навигационного сигнала СРНС ГЛОНАСС, рассеянного этой целью, от различных факторов (рисунки 1-5).
Рис. 1 - График зависимости бистатической ЭПР от угла облучения
М-*
Рис. 2 - График зависимости бистатического угла от угла облучения
а{Р)м! 1-Ю1 1-ю’ 1-ю1 1-ю’
—flf
О 45 90 135 ISO
Рис. 3 - График зависимости бистатической ЭПР от бистатического угла
р?
Рис. 4 - График зависимости мощности сигнала, рассеянного целью, от бистатического
О 10 20 30 -10 50 60 70 80 90 100
К.км
Рис. 5 - Зависимость мощности сигнала, рассеянного целью, от линейного удаления цели относительно луча «спутник - приемник»
При моделировании в качестве воздушной цели был использован самолет А-320 с площадью контура Б, и 200м2, а в качестве факторов, влияющих на мощность сигнала, рассматривалась высота цели Н ц , угол облучения р, бистатический угол
в и горизонтальное удаление цели от луча «спутник - приемник» Я. Для простоты исследования были проведены для частного случая зенитного расположения спутника над наземным приемником, т.е. для значения угла места спутника 0=90°. В качестве основного вариативного параметра при моделировании был выбран угол облучения цели р , т.е. угол между лучом «спутник - приемник» и лучом «спутник - цель».
Анализ рисунка 1 показывает, что резкое возрастание значения бистатической ЭПР (на 2 и более порядка) происходит в узком диапазоне углов
р=±0.05 радиан, когда ракурс облучения приближается к просветному и возрастает площадь теневого контура. Это подтверждается резким возрастанием значения бистатического угла от 90° до 180° при устремлении угла облучения к 0° (рисунок
2). При этом в пространстве бистатического угла получается довольно обширная область (90° -180°), где значение ЭПР превосходит площадь цели на три и более порядка (рисунок 3). Именно эта область в дальнейшем и исследовалась. Кроме того, поскольку в соответствии с [7] формула (12) справедлива только при в = 130°-180°, то нижняя граница бистатического угла при моделировании была увеличена до 130°.
Исследование влияния высоты полета цели на энергетические характеристики сигнала, рассеянного целью, показали, что бистатическое звено «спутник - цель - приемник» наиболее чувствительно к низколетящим целям (рисунок 4). Однако даже для высоты полета Нц=1000 м нижняя граница диапазона рабочих бистатических углов (т.е. где Рпрм,ц>-180 дБ ) уменьшается до 150°. Тем не менее, соответствующее максимальное линейное удаление низколетящей цели от луча «спутник - приемник» достаточно велико и составляет более 50 км (рисунок 5). Это удаление и будет составлять границу зоны действия бистатического звена. С увеличением высоты полета цели энергетика радиолинии «спутник - цель - приемник» будет ухудшаться и для высоты полета цели Нц=10000 м зона действия бистатического звена будет ограничена линейным удалением 5 км (рисунок 5).
Таким образом, анализ энергетических характеристик радиолинии «спутник-цель-приемник» показывает, что применение перспективных приемников СРНС позволит уверенно обнаруживать полезный сигнал Бц(1, ^(Щ^Д)), рассеянный целью, в зоне действия бистатического звена до 50 км относительно луча «спутник - приемник» на высоте 1 км и до 5 км на высоте 10 км.
Литература
1. Быстров Р.П. Методы современной радиолокации и обработки сигналов / Р.П. Быстров, Е.В. Кузнецов,
A.В. Соколов, Ю.С. Чесноков // Успехи современной радиоэлектроники. - 2005. - №9. - с.11-26.
2. Ксендзук А.В.Неизлучающая радиолокационная система, основанная на приёме отражённых сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS / А.В Ксендзук,
B.Ф. Фатеев, С.А. Попов // Труды ОАО «МАК «Вымпел». Сборник статей. М.: Радиотехника - 2009. - с.60-66.
3. Беспалый В.Д. Перспективная многопозиционная радиолокационная система на основе сигналов спутниковых радионавигационных систем// Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием: Красноярск, 2007, с.271-273.
4. Динамика радиоэлектроники-3./ Под общ. ред. Ю.И. Борисова. - М.: Техносфера, 2009. - 392 с.
5. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991. - 609 с.
6. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. КНИЦ МО РФ. 5-я ред.,2002. - 60 с.
7. Черняк В.С. Многопозиционная локация. - М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.
8. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. - М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.
9. Сверхчувствительный программный навигационный приёмник SPIRIT Telecom // www.spirit-telecom.ru. - URL: http://www.spirit-telecom.ru/super_sensitive_receiver.html - (дата обращения 10.07.2010 г.)
Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
BISTATIC LOCATION OF AIR TARGETS BY SIGNALS OF SATELLITE NAVIGATING SYSTEMS V.V. Kiryushkin, D.A.Tcherepanov
In work the energy potential of a signal of satellite navigating system (GNSS) GLONASS, disseminated by an air target is investigated, and the estimation of possibility of its registration by modern and perspective receivers GNSS in interests of a radar-location of air space
Key words: bistatic location, satellite navigating systems, bistatic effective area of dispersion
