CC BY
75<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 621.396.663
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ ФАЗОВОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ
Н. А. Колядин1, К. Е. Мухомор1*, А. В. Кузовников2, А. Л. Дерябин2, П. В. Семкин2
Научно-исследовательский институт радиотехнических систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники
Российская Федерация, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: *[email protected]
Освещен вопрос выявления незаконных пользователей спутниковых систем связи с использованием методов фазовой пеленгации на космических аппаратах с крупногабаритными антенными системами. Представлены ошибки фазового пеленгатора.
Ключевые слова: спутниковые системы связи, фазовый пеленгатор, крупногабаритные антенные системы.
ACCURACY CHARACTERISTICS OF PHASE DIRECTION-FINDING IN SATELLITE SYSTEMS
N. A. Kolyadin1, K. E. Mukhomor1*, A. V. Kuzovnikov2, A. L. Deryabin2, P. V. Semkin2
Scientific Research Institute of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics 40, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: *[email protected]
The article highlights the issue of identification of illegal users of satellite communication systems applying a phase direction finding techniques on spacecraft with large antenna systems. It provides an assessment of the phase error direction finder.
Keywords: satellite communication system, the phase finder, large antenna systems.
Появление случаев незаконного использования трафика в космических системах связи показало необходимость применения радиопеленгации для определения местоположения незаконных пользователей [1; 2]. В указанных работах рассматривается фазовый метод пеленгования с борта космического аппарата (КА) на геостационарной орбите (ГСО) с помощью антенной решетки. Применение в этой решетке крупногабаритных антенн (КГ А) связано с необходимо -стью достижения энергетического потенциала линии «КА - наземная станция» для надежной связи [1; 2].
Как правило, в КА ретрансляторах на ГСО используются две антенны, как в КА системы космической связи «Экспресс», что позволяет оценить только один угол прихода сигналов источника излучения, причем в плоскости расположения антенн. Видимо, поэтому в работах [1; 2] рассматриваются пеленгаторы, антенная система которых содержит дополнительную вторую пару антенных элементов, база которых расположена перпендикулярно базе первой пары. Всего в антенной решетке используется четыре антенных элемента. Однако согласно теории фазовых пеленгаторов с объемной или плоской решеткой для однозначного определения двух углов наиболее точным способом пеленгования, основанном на методе максимального правдоподобия, требуется не менее 5 антенных элементов [3]. Таким образом, проблема не-
однозначности измерений углов прихода четырехэле-ментной решеткой не исключается, но может быть решена с помощью какого-либо «ухищрения». Именно поэтому в работе [2] при пеленговании осуществляется вращение антенной решетки поперек её оптической оси, направленной в сторону источника излучения, что позволяет исключить ложные отсчеты углов прихода.
Необходимость вращения антенной решетки ухудшает эксплуатационные показатели ретрансляторов. Поэтому для КА на ГСО, имеющих ненулевой параметр - наклонение орбиты i, иногда определяют координаты незаконных пользователей с использованием эффектов при движении КА [4].
Точность пеленгования (после устранения грубых ошибок неоднозначности) зависит от проведения юстировки антенной системы пеленгатора, которая позволяет уменьшить или исключить постоянные смещения оценок. Оставшаяся флуктуационная часть ошибок пеленгования характеризует предельную точность фазового пеленгатора. Основные источники вклада во флуктуации разности фаз представлены ниже.
Внешние ошибки измерения разности фаз, не
зависящие от системы, возникают за счет:
- отражения радиоволн от земной поверхности вблизи источника излучения;
Системы управления, космическая навигация и связь
- прохождения радиосигналов через тропосферу и ионосферу Земли.
В частности, экспериментально показано [5], что при отсутствии в радиусе 500 метров от источника излучения местных предметов пространственные стабильные искажения фазового фронта практически не зависят от положения передающей антенны и составляют несколько градусов. Присутствие в радиусе 500 метров от источника излучения местных предметов приводит к искажениям фазового фронта (средне-квадратическое отклонение (СКО)) до 1,5-7,5 градусов в главном лепестке, достигая 100 градусов в боковых и задних лепестках.
Экспериментально для длин волн 3 и 10 см установлено, что на трассах из-за флуктуационных тропосферных процессов возникают погрешности измерения (СКО) разности фаз до 7-14 градусов, содержащие следующие составляющие [5]:
- флуктуации фазового фронта на 2-5-минутных интервалах при разнесении точек приема на 25-100 длин волн, называемые «быстрыми», в зоне прямой видимости не превосходят 7 градусов (СКО);
- флуктуации средних значений этих разностей фаз на указанных пространственно-временных интервалах (называемые «медленными») в зоне прямой видимости вызывают погрешности измерения разности фаз в пределах 7-14 градусов (СКО).
Инструментальные погрешности, возникающие за счет неидентичности приемных каналов, внутренних шумов приемников и регистрирующей аппаратуры, деформации антенн, нелинейности и наличия люфтов в приводах антенн под воздействием факторов внешней среды, определяются принципами работы системы и её конструкцией.
Обычно принимаются меры по уменьшению инструментальной погрешности. В частности, для уменьшения неидентичности приемных каналов по фазовой задержке используют метод выравнивания электрической длины приемных каналов по контрольному сигналу, объединение приемных каналов по высокой или промежуточной частоте с использованием фазовых сдвигов, временной задержки или кодирования сигналов, что снижает фазовые погрешности приемной системы до 2 градусов.
Неточности изготовления антенн и механизмов, формирующих антенную систему, значительный перепад температур приводят к систематическим и случайным погрешностям. Систематические ошибки могут быть учтены при юстировке. Среднеквадра-тическая погрешность в фазовом пеленгаторе на основе КГА при конструктивных флуктуациях фазомет-рической базы на частотах 12-22 ГГц составит 3-4 градуса [3].
Известно, что для двухканальной системы при отсутствии фазовой расстройки и отношении «сигнал-шум» q на входе фазометра более 3, распределение разности фаз можно считать нормальным с нулевым средним значением и СКО, равным = -Лд . При q = 100 значения лежат в диапазоне 5,7 градуса.
Неидеальность диаграммы направленности антенн вносит ошибку в размере 3,7 градуса. Погрешность за
счет неидентичности приемных каналов находится в диапазоне от 1 до 2 градусов. Результирующая сред-неквадратическая погрешность измерения разности фаз соответствует диапазону значений от 10,3 до 18,7 градуса.
Таким образом, ожидаемая предельная погрешность (СКО) пеленгования фазовым методом составит 1/34.. .1/19 часть ширины луча диаграммы направленности, или в абсолютных единицах 0,31-0,56 угловых минут для диаметра антенн 8 м. На местности ошибка составит около 3,4-6,2 км в подспутниковой точке.
Библиографические ссылки
1. Сухотин В. В. Пеленгация в спутниковых системах // Электронный журнал СФУ. 2014. № 7(6). С. 655-659. (Сер. Техника и технологии).
2. Савин А. А., Тисленко В. И. Нелинейная фильтрация координат источника радиоизлучения на борту космического аппарата при наличии фазовой неоднозначности сигналов // XII Всерос. совещание по проблемам управления : сб. (ВСПУ-2014). (16-19 июня 2014, г. Москва) [Электронный ресурс] / ИПУ РАН. М., 2014. С. 3690-3698.
3. Денисов В. П., Дубинин Д. В. Фазовые пеленгаторы : монография. Томск : Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. 251 с.
4. Сухотин В. В. Определение координат источников сигналов в системах спутниковой связи : дис. ... канд. техн. наук / Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2003.
5. Шарыгин Г. С., Полищук Ю. М. и др. Экспериментальное исследование структуры электромагнитного поля при распространении радиоволн сантиметрового диапазона над земной поверхностью. Томск : Изд-во ТГУ, 1970. 128 с.
References
1. Sukhotin V. V. [Direction finding in satellite systems] // Elektronnyy zhurnal SFU, seriya Tekhnika i tekhnologii. 2014. № 7(6). P. 655-659. (In Russ.)
2. Savin A. A., Tislenko V. I. [ Nonlinear filtering radio source coordinates of the spacecraft in the presence of phase ambiguity signals] // Sbornik XII Vserossiyskoe soveshchanie po problemam upravleniya (VSPU-2014). Moskva, 2014. P. 3690-3698. (In Russ.)
3. Denisov V. P., Dubinin D.V. Fazovye pelengatory [Phase direction finders].Tomsk: TUSUR, 2002. 251 p.
4. Sukhotin V. V. Opredelenie koordinat istochnikov signalov v sistemakh sputnikovoy svyazi [Definition signal sources origin in satellite communication systems], Ph.D. thesis in Engineering Science, Sibirskiy federal'nyy universitet. Krasnoyarsk, 2003.
5. Sharygin G. S., Polishchuk Yu. M. Eksperimental'noe issledovanie struktury elektromagnitnogo polya pri rasprostranenii radiovoln santimetrovogo diapazona nad zemnoy poverkhnost'yu [Experimental reserch of the structure of the electromagnetic field in the propagation of radio waves in the centimeter range above the earth's surface]. Tomsk: TGU, 1970. 128 р.
© Колядин Н. А., Мухомор К. Е., Кузовников А. В., Дерябин А. Л., Семкин П. В., 2016
