CC BY
87
УДК 629.056.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-160-164
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ И ИМИТОСТОЙКОСТИ
НАВИГАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Е.А. Сакулин, С.Е. Березовский, О.И. Латанова
Рассмотрены существующие и перспективные способы повышения помехоустойчивости и имитостойкости навигационной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем. Представлен анализ данных по радиоэлектронному воздействию на различные каналы навигационной аппаратуры потребителей при использовании различного типа помех.
Ключевые слова: помехоустойчивость, имитостойкость, навигационная аппаратура потребителей, помеха.
Введение. Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предназначены для координатно-временного и навигационного обеспечения различных классов потребителей. Основным показателем функциональных возможностей ГНСС является точность определения местоположения потребителей [1, 2]. Актуальность данной статьи обусловлена активным развитием средств радиоэлектронной борьбы, используемых в том числе для преднамеренного воздействия на навигационную аппаратуру потребителей (НАП) ГНСС. На работу ГНСС большое влияние оказывают помехи как естественного происхождения, так и, наиболее сложные, преднамеренные помехи. Стабильное функционирование ГНСС в сложной помеховой обстановке и точное определение местоположения потребителей требуют повышения помехоустойчивости и имитостойкости НАП ГНСС.
Борьбе с различными типами помех и повышению эффективности функционирования ГНСС в сложной помеховой обстановке посвящено множество работ. В настоящей статье в целях проведения оценки эффективности борьбы с помехами рассмотрены существующие и перспективные способы повышения помехоустойчивости и имитостойкости НАП ГНСС и проведен их сравнительный анализ по отношению к различному типу помех.
Основная часть. Одним из эффективных способов борьбы с помехами в спутниковой навигации является использование адаптивной и фазированной антенных решеток (ФАР), а также уменьшение коэффициента усиления антенны в направлении источника помех. Пространственная селекция с использованием антенных решеток осуществляется за счет подстройки фаз сигналов, получаемых с антенных элементов. Целью подстройки фаз является изменение диаграммы направленности таким образом, чтобы источник помех попал в область наименьшего усиления сигнала. Одно из главных преимуществ пространственной селекции в том, что с ее помощью можно осуществлять ослабление помех любого типа. Широкое применение нашли антенные решетки с большим количеством антенных элементов. Некоторые многоэлементные антенные решетки показывали результаты подавления одиночной помехи на 90 дБ [3]. Однако многоэлементные антенные решетки обладают большими габаритными размерами и высокой стоимостью.
Перспективным способом борьбы с помехами является использование многофункциональной адаптивной антенной решетки. Универсальностью данной антенной решетки является ее возможность изменения формы главного максимума диаграммы направленности при обработке узкополосных сигналов по отношению к помеховым сигналам независимо от их мощности при любой помеховой обстановке (динамическое изменение параметров и характеристик антенн изменяется в зависимости от характера внешних воздействий или внутренних факторов). Многофункциональная адаптивная антенная решетка в зависимости от вида выполняемой задачи обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, а также позволяет оперативно изменять форму главного максимума диаграммы направленности [4].
Одним из направлений развития ФАР радиолокационных систем является использование монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона (технология ММ1С), обладающие небольшими размерами и высокой надежностью, позволяющие значительно снизить стоимость производства твердотельных приемо-передающих модулей. ФАР будет включать в себя примерно 2
160
тысячи элементов и приемопередающих модулей, выполненных по технологии MMIC. Этой программой предусмотрен выпуск около 1 млн. модулей. Антенна ФАР с применением технологии MMIC представляет собой активную ФАР L-диапазона, содержащую около 100 приемопередающих модулей и коммутируемых излучающих элементов [5].
Помимо пространственной селекции в ГНСС применяется адаптивная узкополосная режекторная фильтрация. Данный способ эффективен только в случае воздействии узкополосной помехой. Для реализации данного способа на вход устройства обработки устанавливается узкополосный фильтр, настроенный на несущую помехи. Преимущество использования режекторных фильтров перед пространственной селекцией заключается в том, что отсутствует необходимость создания дорогостоящей ФАР. Этот способ не эффективен в том случае, если несколько источников помех работают на разных частотах в полосе излучения ГНСС.
Кроме того, в современных ГНСС активно используется технология автономного контроля целостности приемника - RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Использование данной технологии позволяет решить две задачи: обнаружение отказа и исключение из навигационного решения псевдо измерения. Необходимым условием реализации RAIM является наличие не менее 5 спутников видимых антенной GPS приемника.
Суть применения технологии RAIM заключается в том, что производятся несколько независимых определений, которые сравниваются между собой. Исходя из полученных расчетов определяются устойчиво работающие навигационные спутники и по ним производится определение навигационных параметров. Приемник выдает предупреждение в случае несовместимости рассчитанных координат. Если бортовой аппаратурой ГНСС принимается информация шести и более навигационных спутников, то процедура RAIM после исключения из обработки одного спутника и подключения другого продолжает работать и контролировать надежность навигационных определений.
В общем случае в качестве критерия эффективности помех при радиоэлектронном воздействии на НАП ГНСС целесообразно использовать коэффициент воздействия [7]:
л = Р /Р • P = 2 5•101бВт
l|p йВ/ рд' йВ ' (1)
где PSB - максимально ожидаемый уровень сигнала на входе НАП; Ррд - уровень помехи на входе НАП, достаточный для нарушения функционирования канала первичной обработки НАП.
Радиоэлектронное воздействие на каналы НАП ГНСС гармонической и шумовой помехой достаточно полно представлено в работе [б]. Наибольший интерес представляет радиоэлектронное воздействия на НАП сигналоподобными помехами. В случае постановки заградительной сигналоподобной помехи (ЗСП) модель радиообстановки на входе линейного тракта приемного устройства НАП описывается следующим образом:
У (t) = (t) + (t) + n(t);
j=1
S,(t) = (t)cos[a(t-rsi) + щ]; а =®ПЧ1 + ®д,.;
P. (t) = U . П. (t-т.. )cos[a . (t-т..) + m. ]; а = а , + Д®.;
j V ' mp. . V pij L p. V pij ' r pij J 5 p. ПЧ1 p. '
П. (t) e [ -1;1] при to + (l - 1)T3 < t < to + lT3-1 e [1, o TJT3], (2)
где 5((t) - навигационный сигнал от .-го космического аппарата; Pij(t) - j-й компонент .-й составляющей ЗСП при приеме S^t); n(t) - гауссова помеха; Umsi - максимально ожидаемый уровень сигнала на входе НАП; - уровень помехи на входе НАП, достаточный для нарушения функционирования канала первичной обработки НАП; шд1 - доплеровское смещение; ^ -начальная фаза; Tsi - временной сдвиг огибающей навигационного сигнала; Шр1 - смещение частоты за счет неточности целеуказаний; &>пч1 - первая промежуточная частота; П£ (i) - манипулирующая функция S;(t) и Pij(t); Тэ - длительность посылки навигационного сигнала и ЗСП; tQ,Tc - момент начала и длительности сеанса наблюдения.
Под ЗСП понимается многокомпонентный процесс, который имитирует набор навигационных сигналов с одинаковым частотным рассогласованием для всех компонент и различным временным рассогласованием для каждого компонента.
Одной из основных характеристик передатчика помех является его энергетический потенциал (РпСп), который может быть рассчитан из следующих соотношений:
PiiG = ^W; W = Ppij/Sa; p = ny^; Sa = £; Ga = Д^; np = Дг. = Дг„ =т. -t„;T. = rm;PnGn = 4-105я pnir?
m' п п
p ка ij m'
' С ' (3)
где Рп1 - необходимая для нарушения функционирования мощность одной компоненты i-й составляющей ЗСП в передатчике помех; Gn - коэффициент усиления антенны передатчика помех; Ga,Sa - коэффициент усиления и эффективная площадь рассеяния антенны НАП; Ä - рабочая длина волны навигационного сигнала; Рп - мощность передатчика помех для результирующей ЗСП для радиоэлектронного воздействия на НАП.
Результаты исследований нарушения функционирования различных каналов НАП при использовании шумовой, гармонической и заградительной сигналоподобной помех в случае комплексирования НАП с инерциальной навигационной системой представлены на рис. 1. При этом средняя величина вероятности нарушения функционирования различных каналов НАП для шумовой и гармонической помех составляет 0,42, а для заградительной сигналоподобной помехи - 0,67.
Энергетический потенциал,
EID "
дБВт
- канал обнаружения
- канал слежения за частотой канал слежения за задержкой канал демодуляции
Зшрадн тельная сш напоиодюбная помеха
-3.4
гармоническая
помета
Я '
Рис. 1. Энергетический потенциал каналов НАП
На рис. 2 представлены различные виды имитационных помех, а также способы борьбы с данными помехами.
Пространстве нкля Фильтрация селскиня
Способ
Обнаружение факта воздействия
КршттографичесхкЛ
СпеЦЯАЛЫШЙ
повышенная скорость пегкыьэованне мощность изменения AAP ФАР режекторных олюсительно раднонодн-фнльтров истинного raimo иных
сравнение результатов
скачкн определения МП с технология сообщения
времени др. датчиками КАШ посредством (ЛИС, цкфровоП
высотомеры и др.)
. применение
аутентификация нал. г
закрытых применение кодов технологии (L1/L2 SAASM
тгш>
Шумовая прицельная по частоте и
фирм« < лемра I ирмоммчк'кая
+
+L
параметров
Эффективность применения способов
не применяются для шумовых помех
(шумовая прицельная по частоте и форме спектра помеха п гармоническая помеха, всегда будут требовал, больший (как минимум в Фату раэ) оперто потенции САП по сравнению с генерируемой имптнруюшеП и ретранслированной помехами, являющихся для приемника неотличимыми от истинных сигналов, на стадии лАнаружения н спежснпя чя сигналам)
Геверпруемаа шинирующим 1+ з - +/- +/- +/- +/- + + +
Ретранслированная _ ±1 - +/- +/- +/- +/- _ _ _
1. Эффект проявляется в необходимости значительного повышения энертопотенниапа постановщика помех, для воздействия по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны
2, Если целью возле йстюш помехи является навяэыват 1с ложного определения местопоясбмеюи, то эффект использования прнисдснны ч способов проявится в обнаружении факта воздействия, что позволит предупредить пользователя о некорректности определяемого местоположения.
■ эффективен — ■ неэффективен Н~/— • эффективен* неэффективен (в зависимости от цели воздействия)
Рис. 2. Способы борьбы с имитационными помехами
162
Проведенный анализ методов и способов повышения помехоустойчивости и имито-стойкости отражен на рисунке в виде эффективности применения способов в отношении представленных помех. Пространственная селекция с использованием ААР и ФАР является наиболее эффективным способом повышения помехоустойчивости и имитостойкости НАП ГНСС, остальные способы являются эффективными только в отношении определенного типа помех.
Заключение. В настоящей статье проведен сравнительный анализ и систематизированы существующие и перспективные способы повышения помехоустойчивости и имитостойкости НАП глобальных навигационных спутниковых систем, а именно: пространственная селекция с использованием ААР и ФАР, использование многофункциональной ААР, технология MMIC, адаптивная узкополосная режекторная фильтрация, технология RAIM. Приведенные данные исследований радиоэлектронного воздействия на различные каналы НАП при использовании шумовой, гармонической и заградительной сигналоподобной помех (рис. 1) позволяют сделать вывод о целесообразности перехода к заградительной сигналоподобной помехе, при постановке которой требуется наименьший энергетический потенциал передатчика помех в отличие от шумовой и гармонической помех. Более того при наименьшем показателе энергетического потенциала, требуемого для эффективной постановки помех, ЗСП обладает наибольшей вероятностью нарушения функционирования (0,б7) НАП ГНСС.
Список литературы
1. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др.: под ред. В.С. Шебшаевича. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.
2. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т. и др.; под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
3. Кривошеев В.И., Медведев С.Ю. Цифровая обработка сигналов. Н. Новгород: Издательство ННГУ, 2006. 241 с.
4. Многофункциональная адаптивная антенная решетка (патент ВА РВСН МО РФ) [Электронный ресурс] URL: http://www.freepatent.ru/patents/2579996 (дата обращения: 10.05.2022).
5. Активные фазированные антенные решетки; под редакцией Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с.
6. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян Б.Х. Радиоэлектронная борьба со спутниковыми радионавигационными системами. М.: Радио и связь, 2004. 225 с.
Сакулин Евгений Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатории, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Березовский Сергей Евгеньевич, научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Латанова Ольга Иосифовна, младший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
TECHNIQUES OF IMPROVING NOISE IMMUNITY AND IMITABILITY OF CONSUMER
NAVIGATION EQUIPMENT OF GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS
E.A. Sakulin, S.E. Berezovskiy, O.I. Latanova
Existing and perspective techniques of improving noise immunity and imitability of consumer navigation equipment of global navigation satellite system are considered. Data analysis of radio electronic jamming of various channels of consumer navigation equipment by different interference types is presented.
Key words: noise immunity, noise imitability, consumer navigation equipment, interference.
Sakulin Evgenie Aleksandrovich, candidate of technical sciences, head of the laboratory, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
163
Berezovsky Sergey Evgenevich, research assistant of laboratory, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Latanova Olga Iosifovna, younger research assistant of laboratory, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-164-168
АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В ЗАДАЧАХ АКВАКУЛЬТУРЫ ОСЕТРОВЫХ РЫБ
К.В. Шаповаленко, А.В. Греченева, Я.С. Котов
Статья посвящена описанию концепции создания аппаратно-программного обеспечения системы мониторинга качества водных ресурсов в задачах аквакультуры осетровых рыб. В ходе работы были выявлены и описаны ключевые информативные параметры температурного и гидрохимического режима вод в водоемах и определена структура информационно-аналитического обеспечения мониторинга качества водных ресурсов. Обоснована необходимость применения нечеткой логики и правил нечетких продукций, а также предложена концепция системы с использованием алгоритмов на основе нечеткой логики. Описан алгоритм гибридной нейронной сети. Разработанная система позволит производить мониторинг водных объектов для обеспечения наилучших показателей среды, в следствии чего число особей возрастет.
Ключевые слова: аквакультура, информационно-аналитическая система, комплексная обработка, нечеткая логика.
Современные условия диктуют требования к необходимости развития и интенсификации хозяйственной деятельности, направленной на повышение уровня продовольственной обеспеченности населения РФ [1,2]. Данная стратегия также справедлива и для сферы аквакультуры. В настоящее время наибольшее развитие получили методы аквакультуры, основанные на выращивании рыб в искусственных изолированных от внешней среды бассейнах, за счет простоты управления параметрами среды обитания рыб [3]. В системах подобного класса рыбу разводят в пластиковых оснащенных оборудованием бассейнах замкнутого водоснабжения.
В свою очередь, актуальность сохраняет задача разработки методов и подходов контроля температурного и гидрохимического режима вод в водоемах, подверженных влиянию экзогенных (техногенных и природных) факторов. Примером таких аквасистем являются пруды и озера, расположенные вблизи населенных пунктов. Кроме того, рыба, развивающаяся в естественной среде, меньше подвержена стрессу и может приносить наибольшее количество потомства [4], что также подтверждает актуальность темы исследования.
Целью работы является исследование информативных параметров температурного и гидрохимического режима вод в водоемах и определение структуры информационно-аналитического обеспечения мониторинга качества водных ресурсов в задачах аквакультуры осетровых рыб.
Информационно-аналитическое обеспечение мониторинга качества водных ресурсов. Концепция создания информационно-аналитического обеспечения мониторинга качества водных ресурсов требует определения информативных параметров и диапазонов их вариаций в пределах нормы для поддержания оптимальных условий содержания осетровых рыб в задачах аквакультуры. На основании анализа научной литературы [5, 9, 10] был выделен ряд информативных параметров:
Температура воды (норма для осетровых 15.. ,230С);
Уровень растворенного кислорода (норма для осетровых 4,0 мг/л);
Растворенные в воде соли;
Значение рН (норма для осетровых 7,0.8,0).
