Обнаружение радиоизлучений космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ФИЗИКА

УДК 621.391.26

ОБНАРУЖЕНИЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

© 2003 г. А.П. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян

Characteristics of detection of phase-manipulated signals radiated by space radionavigation vehicles of «Navstar» system are researched.

Обнаружение радиоизлучений (РИ) космических аппаратов (КА) является одной из начальных задач радиомониторинга (РМ) радиообстановки (РО) в космосе. В настоящее время сигналы, излучаемые КА, отличаются большим многообразием как по видам модуляции, так и по совокупности энергетических, пространственных, частотных и временных характеристик. К числу наиболее распространенных сигналов можно отнести фазоманипулированные сигналы (ФМС), поскольку они легко формируются в цифровом виде и (в связи с постоянной огибающей напряжения) обеспечивают максимальное использование энергетики спутниковых ретрансляторов.

В данной работе исследуются характеристики обнаружения ФМС, излучаемых КА спутниковой радионавигационной системы (СРНС) «Навстар» при различных уровнях априорной информации о ФМС.

При проведении РМ с использованием ненаправленной антенны на вход обнаружителя (ОБН) поступает аддитивная многокомпонентная смесь: п, /_\

Уо(0=Е%о(Ма)+гго(/)> п* 614>8]

1=1

при 10<1<10 + Тс, где 5,о {(,1,5) - ФМС, соответствующий РИ г -го КА СРНС «Навстар»; / - информативный параметр ФМС; а - набор сопутствующих априорно неизвестных параметров ФМС; пх - количество КА СРНС «Навстар», находящихся в зоне наблюдения ОБН; «о(0 -гауссовая стационарная помеха; /д - момент начала сеанса РМ; Гс - длительность сеанса РМ.

Исходные условия при РМ РИ СРНС «Навстар» характеризуются наличием * следующей априорной информации [1]:

- КА СРНС «Навстар» осуществляют непрерывное РИ ФМС, которые отличаются только реализациями манипулирующих функций g,{()',

- средняя частота ФМС /0 = 1575,42 МГц;

- вид модуляции - ФМ-2;

- период дальномерного кода 7^ = 10-3 с;

- длительность посылки для С/А кода Тэ = 0,977 мкс;

_<у

- длительность бита Гб = 2 • 10 с;

- база ФМС В = 1023;

- кодирование сигналов осуществляется последовательностями Голда с известным законом образующего полинома и различными коэффициентами перед членами полинома для конкретных КА;

- поляризация излучаемых ФМС - правосторонняя круговая;

- длительность кадра навигационного сообщения в СРНС «Навстар» Гнс = 30 с;

- при использовании ненаправленной антенны уровень ФМС на входе ОБН находится в пределах Pst е[-166;-156] Дб Вт.

Для обнаружения ФМС СРНС «Навстар» можно использовать супергетеродинный приемник, настроенный на частоту /о с полосой пропускания линейного тракта А/лт, равной ширине спектра ФМС &fs = 2/Гэ и использующий автоматическую регулировку по шумам.

Напряжение на выходе линейного тракта приемника (ЛТП) y(t) имеет следующий вид:

t

Xf)= IM'lfcr ('l X (l ~ ‘\ )*i при t0 < t< t0 + Гс ;

—OO

иА{) = umr coscort; hx(t) = 2A/j,Tsinc[^44T/]cos<an4l/;

Sl0 = Umslg, [/ - z-yJcos^V + 0,];

®пч1 = 2я/"741 > ®Si = = 2л/о ;

д'(0=Е5'»(/>/*«)+и(0;

/=1

S, (/, /,«) = umig, [t - T, ]cos[ftj,/ + 0, ]; .

ti = TRi+TrP; wr = -<упч1;

0)t - 0)sl — COf , COSi — COq — СОщ ,

где Ur(t)\ Umv, соГ - напряжение, амплитуда, круговая частота гетеродина; Aj(/) - импульсная реакция

— манипули-

Рис. 1

ЛТП; 5, (/,/,«) - «г» ФМС сигнал на выходе ЛТП; / — информативный параметр ФМС (в данном случае амплитуда итл-1); а - набор сопутствующих априорно неизвестных параметров ФМС (<ум - круговая частота; gl{t)

рующая функция «/» ФМС;

Тщ - запаздывание «/»

ФМС; 0,- - начальная фаза); «Од,- - доплеровское

смещение частоты «г» ФМС за счет перемещения КА;

<упч1 - значение первой промежуточной частоты.

В связи с тем, что все КА, входящие в состав СРНС «Навстар», имеют индивидуальные траектории, это приводит к несовпадению соя;. ЛТП обеспечивает перенос спектра процесса _у’о (/) в область промежуточной частоты и его предварительную фильтрацию.

Специфика задачи обнаружения ФМС соответствующего РИ «/» КА состоит в том, что его выделение должно осуществляться не только на фоне гауссовой стационарной помехи «(/), но и совокупности из (и, -1) ФМС, обусловленных РИ других КА СРНС «Навстар», находящихся в зоне наблюдения ОБН и представляющих собой коррелированные помехи.

Следует также отметить, что обнаружение «/» ФМС необходимо проводить при условиях, когда уровни всех п8 ФМС ниже уровня помехи «(/)

<?*(/•)/#„«1; <?„(/■)= едйпс2кз(/-/„-)];

и2 а2 Ь о

^ А/лт /=1

где С?, (/) - спектральная плотность по мощности «/»

ФМС; Nп - спектральная плотность помехи «(/); а2

- дисперсия помехи и(/).

В зависимости от наличия или отсутствия априорной информации о манипулирующей функции g1(f) обнаруживаемые ФМС относятся к классу квазиде-терминированных сигналов с неизвестными {/т„-, со3,, 0,- или сигналов с неизвестной формой [2].

Первая ситуация (квазидетерминированные ФМС) реализуется при обнаружении ФМС в аппаратуре потребителя (АП) СРНС «Навстар».

Структура канала обнаружения (КО) АП СРНС, использующего квазикогерентную обработку ФМС, приведена на рис. 1а, б, где А - антенна; ЛТП - линейный тракт приемника; УСС - устройство свертки спектра ФМС; ПФ - полосовой фильтр; МНО - многоканальный некогерентный обнаружитель; РУ — решающее устройство; ГОС — генератор опорных сигналов; См - смеситель; КУКО1,... КУКО,,... КУКО„ -1л — когерентное устройство с квадратурной обработкой; СН - синтезатор частот; УУ - устройство управления поиском по задержке ФМС; Пер — пере-множитель; Фв'- фазовращатель на я72; ФНЧ -фильтр нижних частот; Кв - квадратор; Сум - сумматор; Ф - выходной фильтр; ИК - устройство извлечения квадратного корня.

Приведенная структура корреляционного многоканального некогерентного обнаружителя (КМНО) осуществляет выделение ФМС на основе реализации циклического параллельно-последовательного поиска с целью устранения влияния априорной неопределенности на характеристики помехоустойчивости. Параллельный поиск осуществляется в диапазоне доп-леровского смещения • частоты ФМС, а последовательный по задержке огибающей ФМС на интервале периода дальномерного кода.

’Алгоритм обнаружения включает в себя корреляционно-фильтровую обработку и МНО [3].

На первом этапе решения задачи обнаружения в УСС на основе использования корреляционно-фильт-

ровой обработки ФМС преобразуется в гармонический процесс:

I

У1 (0 ~ |^(^1 ^ОП/ [^1’ КФпф (/—^1 >

—00

^ош (0 — ^топ§1 [^ — ^0 — г(/)]сОз[ю0п' ®оп ]

Лпф(?) = 2Д/пф51ПС^А/пф/)с05й)пч2/ ,

где ух (/) - процесс на выходе УСС; 50П, (/) - опорный сигнал с амплитудой итт, частотой &>оп и начальной фазой 0ОП, соответствующий по форме «г» ФМС со «скользящей» по времени манипулирующей функции Я/[*-Г0-'Г(?)]; го ~ начальный временной сдвиг яОш(0; Т(‘) — закон изменения временного положения огибающей 50Ш(/); ®пч2 - значение второй промежуточной частоты; Д/Пф - полоса пропускания ПФ.

В процессе поиска по задержке при выполнении условия гЛ, = г0 + г(/) из-за полной корреляции Я,(1,1, а) и 50ш(/) обеспечивается свертка спектра «/» ФМС, и на выходе УСС имеем:

•л(0 = 51«(0+ £^(0+и1(0:

/=1

$ц{*) = ити-™*{(°и( + ®и)-,

соц — со; — <уоп ; 0]; = ©/ — 0ОП;

(0\і Є (<УПЧ2 яА/"]ф ), к{)) >

і

^{/(0= (Л)‘^ош(^1 У7пф(/~^1 >

—00

иі(0— /и('і) ‘ “^от (^1 Угпф — ^1 )-^1 >

—00

А/пф — А/д >

где 5]((/) - свернутый по спектру «/» ФМС; Vті, со,, 0,- - априорно неизвестные амплитуда, частота и начальная фаза процесса 5і,(/); 5у(/) - процесс, обусловленный взаимодействием <</» ФМС (у * г) с опорным сигналом 50П1({); щ{}) - процесс, обусловленный взаимодействием помехи «(/) с опорным сигналом 50Ш(/); Д/д - диапазон доплеровских смещений радиоизлучений КА, входящих в состав СРНС «Навстар».

Учитывая ортогональность <</>> ФМС с опорным

^т-1

сигналом

влиянием компонент

на

7=1

характеристики помехоустойчивости по сравнению с помехой щ (/) можно пренебречь.

На втором этапе решения задачи обнаружения используется МНО, реализованный на основе КУКО., Алгоритм функционирования и основные характеристики МНО исследованы в [4].'

Количество каналов в МНО «и» выбирается на основе компромисса между аппаратурной сложностью КО, характеристиками помехоустойчивости, а также с учетом условия:

А/р>А/к;

Afк — Afпф I ч , А/пф — А/д»

где Д/к - полоса пропускания одного канала МНО; Д/р - минимально возможный частотный разнос между РИ различных КА, входящих в состав СРНС «Навстар».

Обнаружение «/» ФМС происходит при совмещении во времени его огибающей с огибающей опорного сигнала. При этом в РУ наряду с установлением наличия сигнала (гипотеза Hi) осуществляется оценка его средней частоты fsi и временного сдвига огибающей rRi.

Характеристики обнаружения ФМС на фоне гауссовой стационарной помехи при AfKT\ -1, где Т\ — постоянная интегрирования фильтра Ф, и основные параметры могут быть рассчитаны на основе следующих соотношений [3,4].

(!-/?)(!-«Г1

\~Р{\ -а)”

т = -^-; Тк - 2рГэ;

0,5 Гэ к э

а = exp(~g2op /2); Д = Q{g,gaoр);

00

Q(g,gmp) = $хехр(-(х2 + g2)/2)IQ{x-g)dx;

8 nop

8\ = V2&I>1 д/А/пф -Т\ ;£ф1 = V2g El; g2x = ;

V °п

сг1 = *Г0^шДГяг ■» kT0 = 4-10-21 Вт/Гц;

Гц = mT; Psi = Рр, где Дц - вероятность правильного обнаружения за

один цикл поиска по задержке; Д - вероятность правильного обнаружения за время интегрирования Т\ в МНО; щ, а — вероятность ложной тревоги в одном канале КУКО и в МНО; /? - вероятность пропуска сигналов; т<2р — количество ячеек поиска по задержке; £?(g,gnoP) - функция Маркума; gBX, £ф1, gx

— отношения сигнал/помеха по напряжению на входе КО, выходе ПФ и выходе КУКО; Nm — коэффициент шума АП; Гц — длительность цикла поиска по задержке; Рр — реальная чувствительность КО.

В случае отсутствия априорной информации о манипулирующей функции ФМС, что имеет место при проведении РМ, для обнаружения ФМС необходимо использовать оптимальные или квазиоптимальные ал-

горитмы с учетом того, что сигнал имеет неизвестную форму, в качестве которых широкое применение получили алгоритмы энергетического обнаружения [2].

Структура приемника РМ с использованием энергетического обнаружителя приведена на рис. 2, где ЭО — энергетический обнаружитель; КД — квадратичный детектор;

ФНЧ — фильтр нижних частот; ПУ — пороговое устройство.

При двухкомпонентном характере процесса д>о(/) характеристики помехоустойчивости . ЭО определяются из следующих соотношений [2]:

Д = Ф

&э1 - агсф(1 - а)/-у/Г+2

S3i

-t 12

dt;

я-ф[£пор V А/М>

где ф(х) - функция Лапласа; агсф(х) - функция, обратная Ф(х); gэ\ - отношение сигнал/помеха по напряжению на Ьыходс ЭО при .Уо^) =

72 — постоянная интегрирования ЭО.

В случае многокомпонентного входного процесса Л) (О отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе ЭО имеет следующий вид [5]:

£э2=

UPsj-Psi

2Z

I J=l

А/птЪ р1 ,^1 Д/Л

где — ширина спектра ФМС.

Полагая =... Р$! =■■■ Р3 и А/3 = А/лт, получаем:

Яэ2 =

8Іхл] ¥лтТ2

ijl + 2nsgBX + (ns і)2ЯвхА/лТ^І ~^ns(ns SbX = Рці І •

Выражение g^2 получено для случая использования фиксированного порога в ЭО, величина которого выставляется без учета замираний сопутствующих полезному ФМС.

<1

При Д/ЛТГ2»1 для произвольных значений имеем g:j2 =1/(л.5 — 1) <1, что свидетельствует о низкой помехоустойчивости ЭО и нецелесообразности его использования для обнаружения ФМС в случае приема многокомпонентного процесса Уо{()> если

РВ1 < ]>] Ру , а спектры всех ФМС перекрываются.

У=1

С целью повышения помехоустойчивости ЭО необходимо предварительно с помощью методов про-

Рис. 2

преобразование многокомпонентного процесса .Ио(0 В двухкомпонентный процесс 72(/)= 5(/,/,й)+Ло(/) .

В данной работе рассмотрим особенности разрешения ФМС на основе частотной селекции после предварительной свертки их спектров. С этой целью после предварительной фильтрации совокупность ФМС в ЛТП целесообразно использовать нелинейный преобразователь с квадратичной амплитудной характеристикой (для ФМ-2), впервые предложенный А.А. Пистолькорсом [6], с последующей частотной селекцией в параллельном спектроанализаторе (ПСА).

Структура приемника РМ с использованием модернизированного варианта ЭО (МЭО) приведена на рис. 3, где Ф],...Ф„...Ф*- набор полосовых фильтров; КД - квадратичный детектор; ФНЧ - фильтр нижних частот; РУ — решающее устройство; НП - нелинейный преобразователь.

При воздействии на вход НП многокомпонентного процесса _у(?) на его выходе имеем:

^(0=Е^«(0+1^1(0+'2Хс2(')+-+

1=1 /=1 7=1

. +УссП5{‘)+Ъис1п{1)+ип{()-

/=1

^,(0= |йф(/1-г)52(/1>*1;

— 00 *

исс\(‘)= {^ф^! _г)51(/!)5’(|+;)(/|У/1 ;

—00

/

исс2{()= |Лф(^1 _г)52(?1)5'(2+/)(/1У,1 !

—00

и с*,, (0 = К (?1 - -ф\ К, К;

—оо

иап (‘) = /Аф (н - ('I М'1 )*1 ;

—00

ипк)= |АФ (^1-г)»2(/1)*1,

—00

где <7С,(/) — автокорреляционная компонента «;» ФМС; IIСС1 (/) — взаимокорреляционная компонента 1-го и «/»

странственной или частотной селекции обеспечить ФМС; исс2(/) - взаимокорреляционная компонента 2-

40

н.

Но

Рис. 3

го и «у» ФМС; иссП' (г) - взаимокорреляционная ком- на частоте 2/пч{. Учитывая, что полезный эффект от

понента (и,-1) и и, ФМС; С/С1Я(/) - взаимокорреляци- принимаемых ФМС сосредоточен в узкой полосе

онная компонента «в» ФМС и помехи и(/); £/„(*) - 2л/д«Д/лт- можно полагать спектр всех сопутст-

автокорреляционная компонента помехи п(і); И^іі) -

импульсная реакция фильтра на выходе НП

В результате квадратичного преобразования в НП при приеме сигналов ФМ-2 в автокорреляционных компонентах С/с;(/) осуществляется свертка спектра на удвоенной частоте ФМС.

При использовании в качестве нагрузки НП идеального полосового фильтра (ИПФ) с

вующих компонент равномерным Ср(/)=ЛГр(2/пч1).

На выходе каналов ПСА имеем:

Хпк) = С/«(/)+С/р(0

или ЛГи(/) = £/Рв(/), где Хот(/) - напряжение на выходе «от» канала; £/„(,) ~ гармонический процесс, соответствующий

Йф(/)= 2Д/ 51Пс(лА/?)с08(4я/’пч1г) полезный эффект <<г>> ФМС, для которого выполняется условие

_ „ . 12/'... - /ьт I < Д/к / 2; ./„_ - средняя частота «от» ка-

представляет собой набор гармонических процессов 1 1

п, нала ПСА; £/рпД/), С/р (/) - напряжения сопутст-

2^1 (0СО5(^;^(?) ПРИ ?0 -*-{о+ТС' вующих компонент процесса Х(А после прохожде-

;=1 (=1

п к ния «от» или «и» каналов ПСА.

Для обеспечения частотного разрешения всех и, _ _

С учетом результатов работ [2, 3] следует, что от-

ФМС применяется ПСА, параметры которого выби- ношения сигнал/ПоМеха по напряжению на выходе

раются из следующих условии:

Д/р, <mm\l[fSI-fSJ)\\ Д/р]<Д/к; Д/р1<Д/к;

Ик = Д4; д/-А/Д; A/c=f’ где Д/р - разрешающая способность по частоте, соответствующая удвоенному минимальному разносу частот между принимаемыми ФМС; AfK, Д/ — полоса пропускания одного канала и ПСА в целом; Afc —

«от» канала ПСА g§ имеет вид:

ns п,-1

2A/kZ ZPsjPs,

7=1 »=1

1 А/лт

Для случая, когда Р5] = Р$1 = Р5, Д/лт = Д/5,

Лфк (0 = 2А/К бш с(лД/</)соз(4л/'<от/),

ширина спектра напряжения С^,(0 5 «к - количество где ^ _ импульсная реакция ПОЛосового фильтра

каналов ПСА. ,

Т, „ ті в канале ПСА, выражение для е,ь преобразуется к

Как показано в [2,3], спектральные распределения г 1 1 *

сопутствующих компонент процесса Х(ґ), т.е. всех следующему виду:

компонент кроме ^UCI(t), на выходе НП имеют тре-i=i

угольное распределение

8вх

£ф

А/л:

А/к

■> £вХ I •

Gp{fhNJ2fnHl)

1-

•\/і "*■ 2И5ЯеХ (ид Ї)^5вх |/| ^ Для случая, когда 2л5#вх«1 выражение для £ф

лт і упрощается: , поскольку влия-

где ^(2/^]) - спектральная плотность по мощности нием многокомпонентности ФМС можно пренебречь.

А/;

При использовании в каналах ПСА энергетических ОБН отношение сигнал/помеха по напряжению gэ при А/КГ3 »1, Г3 -> Гс, где Т3 1,2

- постоянная интегрирования ФНЧ МЭО, равно . п [2]:

Яфл/А/к^З

8Л=~Г==Т’

у! + 2яф 0,6

Характеристики помехоустойчивости МЭО 0 ^ могут быть рассчитаны следующим образом [2]:

Д = Ф

8э2 ~~

агс

ф(1-

а = ика,; = ф]$пор-^А/кТ3]. ,

Сравнительный анализ рассмотренных выше вариантов ОБН выполним для типовых исходных данных, соответствующих приему ФМС АП 12 СРНС «Навстар»:

Рр=Р, = 10

16 Вт; Д/лТ = А/і = 2-Ю6 Гц;

Ыш = 2,5; Д = 0,925; а = 10-5; сс^Ю'6;

Д/д = 104 Гц; = 8; ик = 10; Д/к = 103 Гц.

На рис. 4 и 5 приведены зависимости Д = /Ы и g = Ат) , из которых следует, что в первом варианте обнаружителя (КМНО) для обеспечения характеристик помехоустойчивости

необходимо иметь £1 =6,66 при 7] =10 с, во втором варианте обнаружителя (ЭО) - g2= 6,2 при 72 = 0,63 сив третьем варианте обнаружителя (МЭО) - gз = 6,45 при Т3 = 1 с.

Сравнение выходных отношений сигнал/шум рассмотренных ОБН при одинаковом значении постоян-

ной интегрирования (7] = Г2 = Г3 = 10 с) показывает, что ЭО уступает КМНО 29 дБ; а МЭО уступает КМНО 30 дБ.

С целью обеспечения одинаковых характеристик помехоустойчивости во всех рассмотренных* ОБН

необходимо обеспечивать Т^1Т\ =6,3-102 и ТЪ!ТХ =103.

Проведенные исследования показывают возможность обнаружения ФМС, излучаемых КА СРНС «Навстар» при проведении РМ с использованием ненаправленных антенн, при различных уровнях априорной информации о манипулирующих функциях сигналов.

а,=10'4, а=10~

0-КМНО

(2)-ЭО

(3)-МЗО

10

Литература

1. Мищенко И.Н., Волынкин А И. и др. И Зарубежная радиоэлектроника 1980. № 8.

2. Дятлов А П Корреляционные устройства в радионавигации. Таганрог, 1986.

3. Дятлов А.П., Володин А.В. II Тр. ВНТК «Проблемы развития и совершенствования техники РЭБ». 5 ЦНИИ МО РФ, Воронеж, 2001.

4. Ипатов В.М. и др. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах. М, 1975.,

5. Дятлов А.П., Володин А.В. Радиомониторинг слабых связных фазоманипулированных сигналов с кодовым уплотнением // Тр. VI МНТК «Радиолокация, навигация, связь» (ЫЬЫС-2001), Воронеж, 2001. Т. 1.

6. Журавлев В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. М., 1986.

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

Ростовский государственный университет путей сообщения

25 февраля 2003 г.