Радиоподавление аппаратуры потребителей спутниковой радионавигационной системы «Навстар» сигналоподобными помехами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.391

РАДИОПОДАВЛЕНИЕ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕМ СПУТНИКОВОМ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «НАВСТАР» СИГНАЛОПОДОБНЫМИ ПОМЕХАМИ

© 2004 г. А.П. Дятлов, П.А. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян

Прогресс в области спутниковых радионавигационных систем (СРНС) после ввода в эксплуатацию систем «Навстар» и «Глонасс» привел к необходимости разработки противоборствующими сторонами средств радиоэлектронной борьбы (СРЭБ), обеспечивающих снижение эффективности СРНС. С этой целью возможна постановка организованных активных помех средствам, входящим в состав как космического, так и наземного сегмента СРНС. Более предпочтительным с точки зрения энергетического потенциала СРЭБ является подход, связанный с радиоподавлением (РП) аппаратуры потребителей (АП), входящих в состав земного сегмента СРНС.

Данному подходу посвящено значительное количество публикаций [1, 2], которые свидетельствуют о возможности снижения эффективности СРНС на больших расстояниях (не менее 100 км) при энергетическом потенциале СРЭБ порядка 20 дБ Вт. Известные публикации описывают результаты экспериментов, но при этом не приводятся цель, план и методика исследований и критерии оценки эффективности АП.

В работах [3-5] выполнены теоретические исследования по РП АП при постановке гармонических и шумовых помех.

АП является многофункциональным приемным устройством (ПУ), состоящим из каналов обнаружения (КО), канала слежения за задержкой (КСЗ), канала слежения за частотой (КСЧ) и канала демодуляции (КД), которые в процессе функционирования АП взаимодействуют между собой, и поэтому представляют интерес исследования особенностей РП как отдельных каналов, так и АП в целом.

Данная работа посвящена исследованию РП АП СРНС «Навстар» при постановке заградительных сигналоподобных помех (ЗСП) и обоснованию основных характеристик СРЭБ.

Модель радиообстановки (РО) на выходе линейного тракта приемника (ЛТП) АП может быть описана следующим образом:

п п пр

У(0 = ЕЯ,.(О + ЕЕP1](0 + п(() ; л, е [4, 8],

i =1 ,=1 ]=1

где у(/) - аддитивная смесь навигационных сигналов (НС), ЗСП и квазибелого шума (КШ); - НС от «/'» космического аппарата (КА) СРНС «Навстар»; Р](0 -] компонент /-й составляющей ЗСП для РП АП при приеме НС ЖО; п(0 - КШ, обусловленный флюктуа-циями в ЛТП; п - количество КА в зоне наблюдения

АП; np - количество компонентов, входящих в состав каждой составляющей Pj(t) ЗСП.

Для РП АП в случае обработки НС S(t), учитывая,

что nsPsi << аП при Psi = Psi = Psns, где Psb Psi, Psns -

мощность 1-го, i-го и ns-ro НС; аП - дисперсия КШ n(t), описание модели РО можно упростить:

Пр

y(t) = Si(t) + X Pj (t) + n(t) ;

j=i

S(t) = Umsi П^ - Tsi) cos[a>i(t - Tsi) + 9i]; o; = + ад;

Pj(t) = Umpi П^ - Tpj) cos [ap^t - Tpj) + фру] ; op = Шч1 + АШрй

Пi(t) e [-1; 1] при to + (l - 1)T3 < t < t0 + lT3; l e [1, TJT3],

где Umsi, a\ Шд;, ф;, Tsi - параметры НС S(t) (амплитуда, частота, доплеровское смещение, начальная фаза, временной сдвиг огибающей НС); Umpi, api, api, Aœpi, фру, tvP - параметры i-й составляющей ЗСП (амплитуда, частота, смещение частоты за счет неточности целеуказания, начальная фаза и временной сдвиг огибающей j-го компонента); шпч1 - первая промежуточная частота; П$) - манипулирующая функция НС Si(t) и ЗСП Pj(t); Тэ - длительность посылки НС и ЗСП; t0, Tc - момент начала и длительность сеанса наблюдения.

Выбор для РП АП ЗСП из известных сигналопо-добных помех (СП) обусловлен тем, что, как показано в [8] ЗСП выгодно отличается от РП с использованием прицельной и следящей СП менее жесткими требованиями к погрешности целеуказаний по временному сдвигу огибающей СП Tpij и возможности организации РП в течение большого отрезка времени ДТз, который соответствует заграждающему интервалу времени.

В качестве критерия РП АП при постановке ЗСП используем меру увеличения среднеквадратичной погрешности определения псевдодальностей агпд между КА, входящими в состав СРНС «Навстар» и АП, который назовем коэффициентом РП Крп. Такой подход допустим, поскольку между погрешностью определения координат АП и погрешностью агпд при позиционировании в горизонтальной плоскости существует следующая связь [1]:

аКн = агпд НДОР, агвд = д/а2 + а2 + а2 + а2 + ам + ,

где аКн - нормальная среднеквадратичная погрешность определения координат; НДОР - горизонтальный геометрический фактор, учитывающий простран-

ственное расположение КА СРНС «Навстар» в течение сеанса определения координат в АП; аэ, ас, ат, аи, ам, аш - среднеквадратичная погрешность определения псевдодальности из-за неточностей эфемеридной информации, синхронизации, знания скорости распространения радиоволн в тропосфере и ионосфере, многолучевости и шумов приемного устройства АП.

При автономном режиме определения координат в АП значения составляющих погрешности определения псевдодальности на основе обработки НС с использованием С/А кода равны

а2 + а^ = 12,96 м2; а2 = 0,7 м; а2 = 7 м; = 1,2 м; стШ = 1,5 м; агпд = 8,1 м.

При типичном геометрическом факторе НДОР, равном 2, имеем аКн = 16,2 м. Можно полагать, что ЗСП обеспечивает требуемый уровень РП АП, если погрешность определения координат возрастает до аномальной величины. При этом под аномальной среднекваратичной погрешностью определения координат аКа следует считать утроенное значение аКн [6]. С учетом вышеизложенного следует, что для РП АП необходимо, чтобы при постановке ЗСП обеспечивалась аКа > 48,6 м, что достигается, если флюк-туационная погрешность аш возрастает до аномальной величины и составляет не менее аша = 22,6, а коэффициент РП будет не менее Крп = аша/аш = 15.

Анализ функционирования АП показывает [2], что определение псевдодальности (ПД) до каждого КА осуществляется в два этапа: 1) на основе поиска НС; 2) на основе слежения за огибающей НС. Поиск НС осуществляется в канале обнаружения (КО) АП, который соответствует грубой шкале оценивания ПД. Слежение за фазой огибающей НС осуществляется в канале слежения за задержкой (КСЗ), который соответствует точной шкале оценивания ПД.

Рассмотрим особенности РП АП вначале при исследовании воздействия ЗСП на КО, а затем на КСЗ. В КО производится последовательный поиск каждого из НС по задержке огибающей и параллельный поиск каждого НС по частоте. Процесс обработки информации в КО включает следующие операции [3]:

1) корреляционно-фильтровое преобразование, обеспечивающее свертку спектра НС и перенос его в область второй промежуточной частоты /й;

2) многоканальное некогерентное обнаружение, реализуемое на основе набора когерентных устройств с квадратурной обработкой (КУКО) или энергетических обнаружителей.

Структура КО приведена на рис. 1, где КФУ - корреляционно-фильтровое устройство; Фь Ф2 - полосовые фильтры; См - смеситель; М - модулятор; Г -генератор; ГК - генератор кода; Упр - управитель; МО - многоканальный обнаружитель; РУ - решающее устройство.

Алгоритм КО описывается следующими соотношениями [3]:

И,: иук(Г) > и пор при /0 < / < /о + То;

1 т t

ЩТ) = - | UК (t)dt; UJT) = | hK (t - x)Uy (x)dx; ke [1, «];

иу(Т) = | Иф2 (г - х)у(х)Бы (X + т(х))йХ;

о

Sог[г +То(/)] = ито Щ/ +То(/)]со8(Юо/);

Ц</)е [-1; 1] при /о + (А - 1)ТЭ < /< /о + № А е [1, Т^э];

То = тяТя; Тя = Т = Тб = ВТэ;

То(/)=(г-1)Атя при /о + (12-1)Тя < / < /о + Ье [1, тя];

Атя = с Атя; %(/) = 2А/ф2 81пс(пА/ф2/)со8(юГ/);

Ак(/) = 2А/к2 81пс(пА/к2/)со8(юк/);

Юг - Юо = Юг + Юдг-; Юрг - Ю; < Аю; Т5г - Трг = Ат,

где И, - гипотеза о наличии НС £;(/); иук(Т) - напряжение на выходе к-го канала МО; ипор - пороговое напряжение в каналах МО; То - длительность этапа поиска и обнаружения НС; Т - постоянная интегрирования в каналах МО; ик(/) - напряжение на входе к-го канала МО; Ак(/) -импульсная реакция полосового фильтра (ПФ) в к-м канале МО; пк - количество каналов в МО; иу(/) - напряжение на выходе ПФ Ф2; Иф2(() - импульсная реакция ПФ Ф2; 8г(/) - опорное напряжение в КФУ при обработке НС £;(/); то(/) - закон изменения временного сдвига (фазы) огибающей Sоi(t); ито - амплитуда S01(t); Юо - средняя частота ^ог(/); А - номер элемента псевдослучайной последовательности, соответствующей манипулирующей функции Пг(/); тя - количество ячеек поискового пространства по дальности в КО; Тя - время просмотра одной ячейки; Тб - длительность бита НС; В - база НС; Атя - шаг изменения временного сдвига огибающей НС; 12 - номер ячейки поискового пространства по дальности; Агя - шаг изменения по дальности в процессе поиска; с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; А/ф2 -полоса пропускания ПФ Ф2; Юг - средняя частота настройки ПФ Ф2; А/к - полоса пропускания ПФ в канале МО; Юк - средняя частота настройки к-го канала МО; АЮ - частотное рассогласование НС и г-й составляющей ЗСП; Ат - временное рассогласование НС и г-й составляющей ЗСП.

В КО осуществляется периодический последовательный дискретный поиск путем временного сдвига огибающей НС Si(t) с шагом Атя = Тэ/2. При выполнении условия %г - то(/) < Тэ/2 и достаточном уровне НС (Р„- > 2,4-Ю-17 Вт) КО производит его обнаружение (принимается гипотеза И) на выходе одного из пк каналов МО.

МО, как отмечено выше, может быть реализован в виде набора энергетических обнаружителей (ЭО) или некогерентных обнаружителей с квадратурной обработкой. В данной работе полагаем, что МО представляет собой набор ЭО. По номеру ячейки поискового пространства по временному сдвигу и номеру канала МО осуществляется предварительное (грубое) оцени-

вание Tsi гр и . Предварительная оценка Tsi позво-

Uyn(T) = Jh^ (t - x)>>] (x)Soil (x)dx ;

ляет получить грубую оценку ПД ri пд между i-м КА и АП.

y(t) Ф1 См Ф2 МО РУ

М

КФУ

ГК

Упр

Рис. 1

В КСЗ осуществляется допоиск, захват и слежение за фазой огибающей НС Si(t) с последующим уточнением т81- и вычислением точной оценки ПД г пд • Процесс обработки информации в КСЗ включает следующие операции [5]:

1) двухканальное корреляционно-фильтровое преобразование при использовании опорного напряжения 801(0 с разными временными сдвигами огибающей;

2) двухканальное детектирование с целью выделения постоянных составляющих, соответствующих отсчетам взаимокорреляционной функции £■(/) и 8Ш(/);

3) формирование сигнала рассогласования по временному сдвигу между £(0 и 8о,(/) с целью его оценивания при переходе в режим слежения.

Структура КСЗ при использовании разностного коррелятора с некогерентной обработкой приведена на рис. 2, где Фь Ф2 - полосовые фильтры; Г - генератор; ГК - генератор кода; М - модулятор; Упр -управитель; Д - детектор; ФНЧЬ ФНЧ2 - фильтры нижних частот; ВУ - вычитающее устройство.

y(t)

ФНЧ,

Ф, Г ГК Упр ФНЧ, РУ

ФНЧ,

Рис. 2

Алгоритм КСЗ описывается следующими соотношениями [5]:

Црк(Тф) = Se ^ 0; е = т - тSоi;

l тф

ирк(Тф) = — J[Ui(t ) - U 2(t )]dt ;

Тф о

Ui(T) = T0 [Uyii(t)]2 dt ; U2(T) = To Uyi2 (t)]2 dt :

Uyi2(T) = J hф (t - x)y (x)S0l2 (x)dx ;

yx(t) = S,(t) + «(t); S^t) = Цпо n;[t- A - Т8г.гр ]COS[^b(t- A - Tsiгр ) + Фо];

Sоi2(t) = ито n,[t + A - ^гр fcOs^t + A - ^гр ) + Фо];

A = Тэ; йф(0 = 2А/ф sinc^Af^cOs^t),

где ирк(Тф) - напряжение на выходе разностного коррелятора (РК); Тф - постоянная времени ФНЧ2; S - крутизна дискриминационной характеристики КСЗ; е - величина временного расследования между НС Si(t) и опорным напряжением SOi(t); TsOi - временной сдвиг SOi(t) на момент оценивания ПД; U1(t), U2(t) - напряжения на выходах каналов РК; Uy11(t), Uy12(t) - напряжения на выходах ПФ Ф21 и Ф22; SOi1(t),

SOi2(t) - опорные напряжения в каналах РК; Tsi т ,

Tsi гр - точная и грубая оценки временного сдвига

огибающей НС Si(t); A - ширина дискриминационной характеристики КСЗ; фо - начальная фаза SOi(t). В КСЗ

л л

на основе использования оценок Tsi гр и /дг- осуществляется захват НС и слежение за фазой огибающей НС. В установившемся режиме в КСЗ осуществляется

лл

точное оценивание Tsi т и оценивание ПД r

В случае приема НС Si(t) на фоне квазибелого шума n(t) вероятности правильного обнаружения Д и ложных тревог а в КО описываются следующими соотношениями [3]:

Д = ФЬ - Япор]; а = 1 - Ф[?пор];

Ф(x) =

J е 2 dt ; ß = i - Д;

T

л/2П

Дц = (1 - р) (1 - ак )т-1); а = 1 - (1 - а)"к ;

До = Дцк; тя = ^ = ^ ; Тя = Т = Тб; АТп = тА,

Тя Тя

где Д, Дц, До - вероятность правильного обнаружения в ячейке за один цикл и за К циклов; Ф(х) - интеграл Лапласа; go - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе одного канала МО; £пор - нормированный порог в канале МО; в - вероятность пропуска НС в ячейке поискового пространства; а, ак - вероятность ложной тревоги в одном канале МО и на выходе МО в целом; АТп - время поиска НС по дальности в КО; Атп - интервал изменения временного сдвига 8Ш(/) в случае поиска в КО.

Г

См

Ф

Д

М

2

i

М

См

Ф

Д

Энергетические характеристики помехоустойчивости КО описываются следующими соотношениями [3]:

VA/KT

I

i+

J= g Sn KTs-TsoiWA/n / A/k1 ; g Sn =

аП = kToNmA/n, kTo _ 4-10-21 Вт/Гц;

PL.

а2;

где итт - среднеквадратичная погрешность при точном оценивании временного сдвига огибающей НС Si(t); £рк - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе РК; gф2 - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе ПФ Ф21 и Ф22; А/к2 - полоса пропускания ПФ Ф21 и Ф22; А/ш - шумовая полоса КСЗ в замкнутом состоянии; игпд - среднеквадратичная погрешность оценивания ПД.

А/к1 = А/ф1/ик; А/ф! > А/д,

где gф1 - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе КФУ; g2 - отношение сигнал/помеха по мощности на входе АП; Р.2 - мощность НС Si(f) на входе АП; и2 - дисперсия помехи п(/) на входе АП;

А/, Ыш - ширина рабочего частотного диапазона и коэффициент шума линейного тракта приемника (ЛТП) АП; А/к1 - полоса пропускания ПФ Ф2; пк -количество каналов в МО; А/д - диапазон изменения доплеровских смещений излучений различных КА СРНС «Навстар».

В КО после обнаружения НС (т.е. после принятия

гипотезы Н.) осуществляется грубое оценивание т.; г

по номеру поискового пространства по временному сдвигу с погрешностью ит = Тэ/4 и грубое оценивание

л

/д; г по номеру канала МО с погрешностью и/ =

= А/к1/2. В случае приема НС Si(t) на фоне квазибелого шума п(() основные характеристики КСЗ в установившемся режиме описываются следующими соотношениями [5, 7]:

аТт T3/gpK; gpK

_ g2^A/k2 / A/ш .

V1+2g

g22 _ gsnyj A/n / A/k2 ;

Литература

1. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.

2. Волынкин А.И., Кудрявцев И.В., Мищенко И.Н. и др. Аппаратура потребителей СРНС «Навстар». // Зарубежная радиоэлектроника. 1983. № 4,5.

3. Дятлов А.П., Володин А.В., Дятлов П.А. Радиоподавление

канала обнаружения навигационных сигналов в аппаратуре потребителя СРНС «Навстар» // Тр. VIII МНТК, «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 2001.

4. Дятлов А.П., Володин А.В., Дятлов П.А. Радиоподавление

канала слежения за частотой навигационных сигналов в аппаратуре потребителя СРНС «Навстар» // Тр. IX МНТК «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 2003.

5. Дятлов А.П., Володин А.В., Дятлов П.А. Радиоподавление

канала слежения за задержкой навигационных сигналов в аппаратуре потребителя СРНС «Навстар» // Радиотехника. 2004. № 8.

6. Савинков А.Ю., Фурсов С.В., Зимовец К.А. и др. Определение координат мобильного абонента в городских условиях. Мобильные системы. 2003. № 10.

7.Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М., 1979.

8. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян БХ. Корреляци-

онно-фильтровая обработка ФМ сигналов на фоне аддитивной смеси квазибелого шума и сигналоподобных помех // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естест. науки. 2004. № 4.

Ростовский государственный университет путей сообщения

25 июня 2004 г.

агпд _ с ат

УДК 531.383

ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РОДРИГА - ГАМИЛЬТОНА ДЛЯ ОЦЕНИВАНИЯ СТОХАСТИЧЕСКОГО ВЕКТОРА СОСТОЯНИЯ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХ

© 2004 г. В.А. Погорелов, К.Ю. Яковлев, В.В. Рыжов

Эффективность управления автономными высокоскоростными подвижными объектами (ПО) во многом определяется точностью работы бортового информационно-измерительного комплекса (ИК), который может быть построен с использованием гироста-билизированной платформы (ГСП), или бесплатформенной навигационной системы (БНС) [1 - 3].

Измерительные комплексы, содержащие в своем составе ГСП, в силу их высокой стоимости, находят применение только в ИК уникальных ПО, системы управления которых предъявляют высокие требования к точности определения параметров движения [2]. В то же время низкая стоимость БНС делает привлекательным их применение в широком классе ПО [2].