CC BY
52
DOI 10.25987/^т2020.16Л.0П УДК 621-391
ЦИФРОВАЯ СТАТИСТИЧЕСКАЯ ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В НАВИГАЦИОННОЙ АППАРАТУРЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Д.Г. Пантенков1, В.П. Литвиненко2
ХАО «Кронштадт», г. Москва, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в настоящее время на борту всех без исключения подвижных объектов (космические аппараты, беспилотные летательные аппараты, корабли, автомобили и т.д.) установлена навигационная аппаратура потребителей (НАП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС), позволяющая в зависимости от решаемых целевых задач с требуемой точностью определять географическое положение объекта в пространстве (координаты), а также его линейную скорость. При этом подобной навигационной аппаратурой оснащаются также подвижные объекты специального назначения, функционирующие в интересах различных силовых ведомств и структур. В таком случае необходимо уделять особое внимание вопросам помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем при наличии преднамеренных помех, способных дестабилизировать работу навигационного оборудования (приводить к срыву в режиме сопровождения) или вызывать большую погрешность в измерениях координат и скоростей (в режиме измерений). В качестве критерия эффективности помехового воздействия на НАП СРНС в статье принят коэффициент воздействия, показывающий минимальный порог превышения мощности помехового сигнала над полезным навигационным сигналом, приводящим к срыву сопровождения в течение не более 5 секунд с вероятностью не менее 0,9. Представлена разработанная цифровая статистическая имитационная модель процесса обработки сигналов в НАП СРНС, смоделировано влияние шумовой, сигналоподобной и гармонической помех на количество срывов сопровождения в НАП, рассчитаны вероятности срывов, а также определены количественные значения коэффициентов воздействия, приводящих к нарушению функционирования СРНС
Ключевые слова: цифровая статистическая имитационная модель, эффективность помех, отношение помеха/сигнал, коэффициент воздействия, навигационная аппаратура потребителей, спутниковые радионавигационные системы, ошибка сопровождения, вероятность срыва
Введение
Проведенный I анализ показал, что известен ряд работ [1-11], в которых представлены результаты теоретических исследований по оценке эффективности различных видов помех навигационной аппаратуре потребителей (НАП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Однако следует отметить, что эти результаты получены, как правило, в условиях различных допущений и не в полной мере учитывают нелинейные свойства НАП, а именно процессы срыва сопровождения в следящих системах по дальности и фазе. Поэтому для исследования эффективности помех был принят метод цифрового статистического имитационного моделирования процесса обработки сигнала в НАП.
Статья включает в себя разработку достоверной цифровой модели функционирования НАП СРНС и оценку эффективности различных видов помех при воздействии на НАП СРНС для разработанной модели.
© Пантенков Д.Г., Литвиненко В.П., 2020
1. Цифровая статистическая имитационная модель процесса обработки сигналов в НАП СРНС
Поскольку с точки зрения радиоэлектронной борьбы (РЭБ) наиболее важным является воздействие на НАП СРНС типа «GPS», работающей в режиме обработки дальномерного кода, то и цифровая модель, прежде всего, должна учитывать все основные особенности обработки сигнала в этом режиме [1-4].
Цифровая модель формирования сигналов дальномерного кода от космических аппаратов системы «GPS», формирования помех и устройства их обработки представлена на рис. 1. Она реализована в приложении Math-Lab+Simulink.
Сигналы всех четырех КА моделируются следующим образом. Формируется временная последовательность видеосигналов 1023-элементного кода Голда, принимающих значение 0 и 1. Для формирования 1023-элементного кода Голда используется элемент «Gold Sequence Generator» приложения Simulink. Этот сигнал преобразуется к значениям 1 и -1.
Рис. 1. Цифровая модель формирования сигналов дальномерного кода от космических аппаратов системы «GPS»,
формирования помех и устройства их обработки
Высокочастотный сигнал несущей частоты формируется элементом из приложения Simulink. Временной масштаб выбран таким, чтобы на один элемент кода Голда приходилось 10 периодов несущей. Каждый период несущей моделировался десятью отсчетами. На выходе умножителя формировался фазоманипулиро-ванный высокочастотный (ВЧ) сигнал. Таким образом, одна последовательность ВЧ сигнала, модулированного 1023-элементным кода Голда, описывалась 102300 временными отсчетами.
Несущие частоты сигналов всех спутников в каждой последовательности ослучаивались в пределах возможных доплеровских частот. Начальные фазы несущих частот всех спутников также ослучаивались в пределах от 0 до 360 град. В каждой реализации по случайному закону формировалась новая последовательность кода Голда для каждого КА. Исследовалась обработка сигнала только от первого КА. Сигналы от других КА выступали в качестве помех. Сигналы от всех спутников принимались равными, что соответствует наиболее тяжелому случаю с точки зрения РЭБ.
Внутренний шум приемника и другие шумы моделировались с помощью генератора белого шума «Band Limited Noise». Уровень шума можно регулировать непосредственно в приложении Simulink, а также из программы.
Помеха моделировалась с использованием генератора белого шума и генераторов синусоидальных колебаний. Сигналоподобная помеха
моделировалась аналогично сигналам спутников за исключением следующих особенностей:
- в несущей частоте сигнала отсутствовал доплеровский сдвиг частоты;
- начальная фаза ВЧ сигнала равна 0.
Среда распространения моделировалась
сумматором, в котором сигналы от КА и помехи аддитивно суммировались.
Усилитель высокой частоты и усилитель промежуточной частоты моделировались цифровым фильтром, согласованным со спектром сигнала. Амплитудно-частотная характеристика фильтра представлена на рис. 2. Сумма отфильтрованных сигналов и помех поступает на вход коррелятора, на второй вход которого поступает опорный сигнал. В качестве опорного сигнала взят отфильтрованный сигнал первого КА. Моделирование показало, что если в качестве опорного сигнала брать «чистый сигнал» первого КА, то корреляционная функция раздваивалась. Это явление обусловлено особенностями работы цифрового фильтра в начальный период времени. Вот поэтому в качестве опорного сигнала использовался отфильтрованный сигнал одного КА. Автокорреляционная функция сигнала КА, взаимокорреляционные функции сигнала 1-го КА на выходе коррелятора с учетом присутствия сигналов от 3-х КА, а также взаимокорреляционные функции сигнала 1-го КА и остальных 3-х КА и шумов представлены на рис. 3-5.
С выхода коррелятора сигнал передавался
в следящую систему, которая представляет собой временной дискриминатор, строб которого состоит из двух полустробов. Длительность каждого полустроба равнялась ширине пика сигнала на выходе коррелятора по уровню 0,7 от максимума (рис. 6, 7). На выходе дискриминатора формировался сигнал ошибки слежения за сигналом коррелятора.
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика фильтра
Рис. 3. Автокорреляционная функция сигнала 1-го КА
Рис. 4. Сигнал от 1-го КА на выходе коррелятора с учетом присутствия сигналов от 3-х КА
Рис. 5. Сигнал от 1-го КА на выходе коррелятора с учетом присутствия сигналов от 3-х КА и шумов
Рис. 6. Сигнал 127-элементного кода Голда от 1-го КА на выходе коррелятора при отсутствии шумов и помех
Сигнал ошибки (del) формировался следующим образом. Интегрировались сигналы, попадающие в левый полустроб (Uлев) и правый полустроб (Unp). Нормированный сигнал
ошибки вычислялся с использованием выражения
U - U
del = лев пр
U лев + UnP
Этот сигнал ошибки после сглаживающего фильтра изменял временное положение полустробов. Сглаживающий фильтр отлажен таким образом, чтобы полоса пропускания следящей системы была около 4-5 Гц. Такая полоса пропускания соответствует случаю, когда НАП работает совместно с инерциальной навигационной системой. Ошибка сопровождения (рис. 7) представляет собой разницу во времени между положением максимума пика корреляционной функции и центром следящего строба. Выход строба за пределы пика корреляционной функции фиксировался как срыв сопровождения.
Для оценки отношения сигнал/шум при любых видах помех использовался прием ис-
кусственного разделения помехи и сигнала. Для этого и помеха, и сигнал пропускались через фильтры, полностью аналогичные фильтру приемника НАП (рис. 1), а затем программно оценивалась их мощность и отношение сигнал/шум по мощности. Время моделирования одной такой последовательности составляет около 3 секунд. Реальное время одной последовательности из 1023 элементов составляет 1 мс. Таким образом, моделирование пятисекундной работы приемника НАП займет 15000 секунд или около 4-х часов. Провести статистическую обработку результатов при этом крайне сложно. Поэтому для сокращения времени моделирования в 8 раз было принято решение использовать не 1023-элементный код Голда, а 127-элементный.
Осциллограммы сигналов и помех при реализации 127-элементного кода Голда представлены на рис. 8-13.
Рис. 7. Пик 127-элементного кода Голда от 1-го КА на выходе коррелятора при отсутствии шумов и помех
Рис. 8. 127-элементный код Голда (реализация)
Рис. 10. Сигнал на выходе фильтра
Рис. 11. Шумовая помеха, согласованная со спектром сигнала. Мощность помехи в 150 раз больше мощности сигнала
Рис. 12. Сигнал и шумовая помеха на входе коррелятора. Отношение помеха/сигнал £=150
Рис. 9. Фазоманипулированный сигнал на выходе умножителя
Рис. 13. Сигналы на выходе коррелятора в различные моменты времени при отношении помеха/сигнал £=150
Результаты работы модели представлены на рис. 14.
на приемник НАП представлены на рис. 15-18.
■100
Рис. 14. Ошибки сопровождения максимума корреляционной функции при отношении помеха/сигнал g=150 (10 реализаций по 4 секунды каждая)
Отметим, что ширина пика корреляционной функции равна 100 единиц. Ширина следящего строба равна 200 единиц (два полустроба шириной по 100 единиц). Сопровождение сорвано в случае, если ошибка сопровождения превышает 150 единиц. В данном случае срывы отсутствуют.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что разработанная модель достаточно адекватно соответствует процессу обработки сигнала приемником НАП СРНС и может быть использована для оценки эффективности различных видов помех.
2. Оценка эффективности помех при воздействии на НАП СРНС
В ходе оценки эффективности различных видов помех было выявлено, что вероятность срыва сопровождения пика корреляционной функции зависела не только от отношения помеха/сигнал, но и от времени воздействия помехи. В качестве критерия эффективности помехи обычно используется коэффициент воздействия на приемник НАП. В данном случае целесообразно определить его следующим образом. Под коэффициентом воздействия на приемник НАП понимается минимально необходимое отношение мощности помехи к мощности полезного навигационного сигнала на входе коррелятора, при котором в течение пяти секунд с вероятностью не менее 0,9 наступает срыв сопровождения следящей системы.
2.1. Оценка эффективности шумовой помехи
Результаты воздействия шумовой помехи
150 100 50 0 -50 -100 -150
Л А -А лЛ К Л Ад 1 1
\ А У И \ г \г \Т V и/ Тгтгш 1——■ / V 1 1 гк \ щ\ \1 щ¥и 'ж Ш II 1г | Ш ЩР1 и №]} ч
Рис. 15. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал g=240 (5 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения нет
500
150 О
■150 ■500
/
!
Рис. 16. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал g=240 (10 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 2. Вероятность срыва - 0,1
Рис. 17. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал g=280 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 14. Вероятность срыва - 0,7
Рис. 18. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал g=320 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 20. Вероятность срыва - 1
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что коэффициент воздействия КВ на приемник НАП составляет примерно 300.
Так как в НАП при использовании С/А-кодов применяется 1023-элементный код Голда, то энергия сигнала будет увеличена в 8 раз. Следовательно, коэффициент воздействия необходимо увеличить в 8 раз и значит
КВ=2400 (КВ=34 дБ).
2.2. Оценка эффективности сигналоподобной помехи
Оценка эффективности сигналоподобной помехи была проведена по аналогии с шумовой помехой. Результаты оценки представлены на рис. 19-23.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что коэффициент воздействия КВ на приемник НАП СРНС сигналоподобной помехой составляет примерно 300.
Рис. 19. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=225 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 4. Вероятность срыва - 0.2
Рис. 20. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=260 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 6. Вероятность срыва - 0.3
Рис. 21. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=300 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 17. Вероятность срыва - 0.85
Рис. 22. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=500 (5 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - 5. Вероятность срыва - 1
Рис. 23. Сигналы на выходе коррелятора в различные моменты времени при отношении помеха/сигнал §=300
Так как в НАП при использовании С/А-кодов применяется 1023-элементный код Гол-да, то энергия сигнала будет увеличена в 8 раз. Следовательно, и коэффициент воздействия необходимо увеличить в 8 раз и значит Кв=2400 (Кв=34 дБ).
Таким образом, полученный результат позволяет утверждать, что сигналоподобная помеха по своей эффективности аналогична шумовой помехе.
2.3. Оценка эффективности гармонической помехи
Учитывая тот факт, что шумовая и сигналоподобная помеха эффективны при отношении помеха/сигнал §=300, остальные виды помех оценим примерно при том же уровне мощности.
Гармоническая помеха формировалась ге-
нератором синусоидальных сигналов без сдвига по частоте Доплера, точно на центральной частоте полосы пропускания фильтра, имитирующего работу УПЧ. Результат моделирования показал, что при §=300 не произошло ни одного срыва. Уровень помехи был увеличен до §=400. Даже при таком уровне помехи сопровождение было очень устойчивым. Сигнал на выходе коррелятора в различные моменты вре-
мени представлен на рис. 24. Из анализа рисунков видно, что несмотря на достаточно высокий уровень боковых пиков корреляционной функции основной пик просматривается достаточно четко.
Вывод: эффективность гармонической помехи ниже по сравнению с шумовой и сигнало-подобной помехой.
Рис. 24. Сигнал на выходе коррелятора при создании гармонической помехи при §=400 (на верхнем левом рисунке §=0)
2.4. Оценка эффективности двухчастотной гармонической помехи
В ходе рассмотрения функционирования системы «GPS» было высказано предположение о возможной эффективности двухчастотной гармонической помехи, которое было проверено на разработанной модели. Разнос между гармоническими частотами изменялся симметрично относительно центральной частоты. При этом обе частоты находились в пределах поло-
сы пропускания фильтра, имитирующего работу УПЧ.
Результаты моделирования представлены на рис. 25-27.
Рис. 25. Двухчастотная помеха. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=100 (5 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - нет
Рис. 26. Двухчастотная помеха. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=400 (20 реализаций по 5 секунд). Срывов сопровождения - нет
Рис. 27. Двухчастотная помеха.
Разнос между частотами +1% от центральной частоты.
Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=420 (30 реализаций по 5 секунд).
Вероятность срыва сопровождения 0,3
В ходе моделирования двухчастотной помехи было выявлено интересное явление - появление устойчивой многопиковой взаимокорреляционной функции. Сигналы на выходе коррелятора при различных частотных разносах представлены на рис. 28-32.
Таким образом, моделирование применения двухчастотной гармонической помехи для воздействия на НАП СРНС показало, что такая помеха не может считаться эффективной для обеспечения безусловного срыва сопровождения, но может быть использована для затруднения захвата на сопровождение [12-23].
Рис. 28. Двухчастотная помеха. Сигнал на выходе коррелятора. Разнос между частотами +0.1% от центральной частоты.
Отношение помеха/сигнал §=300
Рис. 29. Двухчастотная помеха. Сигнал на выходе коррелятора. Разнос между частотами +0.2% от центральной частоты.
Отношение помеха/сигнал §=300
Рис. 30. Двухчастотная помеха. Сигнал на выходе коррелятора. Разнос между частотами +0.3% от центральной частоты.
Отношение помеха/сигнал 2=300
Рис. 31. Двухчастотная помеха. Сигнал на выходе коррелятора. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты.
Отношение помеха/сигнал 2=300
Рис. 32. Двухчастотная помеха. Сигнал на выходе коррелятора. Разнос между частотами +1% от центральной частоты.
Отношение помеха/сигнал 2=300
3. Оценка влияния возможных нелинейных свойств приемника НАП
В ходе моделирования воздействия на систему «GPS» также было высказано предположение о влиянии динамического диапазона УПЧ приемника НАП на эффективность воздействия. Для этой цели в модель в канал УПЧ был установлен ограничитель (на рис. 1 элемент "Saturation"). Все ранее полученные результаты приведены для уровня ограничения +1000 условных единиц. Максимальный уровень сигнала и помех при этом был от 20 до 30 условных единиц. Следовательно, все ранее полученные результаты соответствовали ли-
нейному режиму работы УПЧ.
Возможный эффект влияния нелинейности УПЧ на эффективность воздействия был исследован на модели путем изменения уровня ограничения. Результаты моделирования представлены на рис. 32 - 45.
Таким образом, наличие ограниченного динамического диапазона приемника НАП не приводит к существенному увеличению эффективности воздействия на него различными видами помех [1, 2, 7, 8].
150
Рис. 33. Шумовая помеха. Уровень ограничения - 2. Уровень суммы помехи и сигнала около 13. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=145 (20 реализаций по 5 секунд). Вероятность срыва сопровождения 0,1
Рис. 34. Шумовая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на входе ограничителя. Отношение помеха/сигнал §=145
Рис. 35. Шумовая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на выходе ограничителя. Уровень ограничения - 2. Отношение помеха/сигнал §=145
1. а ш « и » „1
Рис. 36. Шумовая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на выходе ограничителя. Масштаб увеличен. Уровень ограничения - 2. Отношение помеха/сигнал §=145
Рис. 37. Сигналоподобная помеха. Уровень ограничения -2. Уровень суммы помехи и сигнала около 11. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=100 (10 реализаций по 5 секунд). Срыва сопровождения нет
■
Щпшниш
Рис. 39. Сигналоподобная помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на выходе ограничителя. Уровень ограничения - 2. Отношение помеха/сигнал §=100
Рис. 40. Гармоническая помеха. Уровень ограничения - 2. Уровень суммы помехи и сигнала около 11. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=100 (5 реализаций по 5 секунд). Срыва сопровождения нет
Рис. 41. Гармоническая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на входе ограничителя. Отношение помеха/сигнал §=100
Рис. 42. Гармоническая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на выходе ограничителя. Уровень ограничения - 2. Отношение помеха/сигнал §=100
Рис. 43. Двухчастотная гармоническая помеха. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты. Уровень ограничения - 2. Уровень суммы помехи и сигнала около 11. Ошибки сопровождения при отношении помеха/сигнал §=100 (5 реализаций по 5 секунд). Срыва сопровождения нет
Рис. 38. Сигналоподобная помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на входе ограничителя. Отношение помеха/сигнал §=100
Рис. 44. Двухчастотная гармоническая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на входе ограничителя. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты. Отношение помеха/сигнал g=100
Рис. 45. Двухчастотная гармоническая помеха. Осциллограмма сигнала и помехи на выходе ограничителя. Разнос между частотами +0.5% от центральной частоты.
Уровень ограничения - 2.
Отношение помеха/сигнал g=100
Заключение
1. Из рассмотренных видов помех наиболее эффективными следует признать шумовые и сигналоподобные помехи, при этом эффективность шумовых и сигналоподобных помех примерно одинакова. Наличие ограниченного динамического диапазона приемника НАП не приводит к существенному увеличению эффективности воздействия на него различными видами помех.
2. В связи с тем, что мощность навигационного полезного сигнала невысокая, то наиболее целесообразно для воздействия на него по открытому C/А-коду (поскольку его структура априорно известна) использовать имитационную помеху такой же мощности, что позволит сократить массу и габариты передатчика помех. Для радиоэлектронного воздействия на навигационный сигнал по закрытому Р^)-коду целесообразно использовать шумоподобную помеху большей мощности.
3. Для затруднения захвата на сопровождение основного пика корреляционной функции возможно создание двухчастотной гармонической помехи, при которой появляются устойчивые пики корреляционной функции.
Литература
Пастухов, В.С. Павлов, П.М. Головин, П.В. Медведев Радиотехника. 2013. № 7.
3. Д.Г. Пантенков Результаты оценки помехоустойчивости первичной корреляционной обработки сигналов в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем методом математического моделирования // Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов: сб. науч. тр. аспирантов и соискателей ученых степеней. Химки, 2014. Вып. 15, С. 221-236.
4. Д.Г. Пантенков Результаты оценки помехоустойчивости первичной корреляционной обработки сигналов в навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем методом экспериментальной отработки на макетах отдельных элементов стенда // Актуальные вопросы проектирования космических систем и комплексов: сб. науч. тр. аспирантов и соискателей ученых степеней. Химки ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», 2014. Вып. 15. С. 287-312.
5. Дмитриев Д.Д. Исследование помехоустойчивости аппаратуры радионавигации // Современные проблемы развития науки, техники и образования: сб. науч. тр. Красноярск: ИПК СФУ, 2009. С. 202-209.
6. Гарин Е.Н., Дмитриев Д.Д. Комплексирование средств спутниковых систем радионавигации с автономными навигационными системами // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. ст. Красноярск: ИПК СФУ, 2007. С. 166-169.
7. Искусство навигационной войны // Иностранная печать. Серия «ТСР служб зарубежных государств», ВИНИТИ, Информ. бюлл. 2001. № 12. С. 24-28.
8. Глобальная система определения местоположения GPS и навигационная война // Иностранная печать. Серия «ТСР служб зарубежных государств», ВИНИТИ, Информ. бюлл. 1999. № 3. С. 20 - 26.
9. Пантенков Д.Г., Литвиненко В.П., Гусаков Н.В. Математическое моделирование потенциальной скрытности канала связи в многоканальных радиолиниях // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 1. С. 47-49.
10. Перов А.И. Синтез оптимального алгоритма обработки сигналов в приемниках спутниковой навигации при воздействии гармонической помехи. М.: Радиотехника. Радиосистемы. 2005. № 7. С. 36-42.
11. Перов А.И., Болденков Е.Н., Бакитько Р.В. Анализ влияния внутрисистемных помех на аппаратуру потребителей спутниковых радионавигационных систем. М.: Радиотехника. 2009. № 1. С. 20-28.
12. Пантенков Д.Г., Литвиненко В.П. Критерии эффективности помехового воздействия на объекты активного радиомониторинга // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 7. С. 18-22.
13. Юдин В.Н., Камнев Е.А. Результаты модельного эксперимента по радиоподавлению навигационной аппаратуры потребителей с четырехэлементной адаптивной антенной решеткой // Вестник РАЕН. 2018. Т. 18. № 3. С. 87-94.
14. Патент 191 165, Российская Федерация, МПК Н04 В 7/02 (2006.01). Бортовой терминал радиосвязи беспилотного летательного аппарата / Долженков Н.Н., Абрамов А.В., Егоров А.Т., Ломакин А.А., Пантенков Д.Г.; заявитель и патентообладатель АО «Кронштадт». -26.07.2019, Бюл. № 21.
15. Егоров А.Т., Ломакин А.А., Пантенков Д.Г. Математические модели оценки скрытности спутниковых каналов радиосвязи с беспилотными летательными аппа-
1. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян Б.Х. Радиоэлектронная борьба со спутниковыми радионавигационными системами: монография. М.: Радио и связь, 2004. 226 с.
2. Оценка характеристик подавления помех приемникам ГНСС с антенными решетками в реальных условиях / В.Н. Харисов, В.С. Ефименко, А.А. Оганесян, А.В.
ратами // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. Ч. 1. № 3. С. 19-26.
16. Вейцель А.В., Вейцель В.А., Татарников Д.В. Аппаратура высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем: высокоточные антенны. Специальные методы повышения точности позиционирования; под ред. М.И. Жодзишского. М.: МАИ-ПРИНТ, 2010. 38 с.
17. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию; под ред. В.А. Лексачен-ко. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
18. Тяпкин В.Н., Гарин Е.Н. Методы определения навигационных параметров подвижных средств с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 260 с.
19. Пантенков Д.Г. Результаты анализа наземных испытаний комплекса средств спутниковой радиосвязи для беспилотных летательных аппаратов // Вестник Рязан-
ского государственного радиотехнического университета. 2019. № 69. С. 42-51.
20. Техническая реализация высокоскоростного информационного канала радиосвязи с беспилотного летательного аппарата на наземный пункт управления / Д.Г. Пантенков, Н.В. Гусаков, А.Т. Егоров, А.А. Ломакин, В.П. Литвиненко, В.И. Великоиваненко, Е.Ю. Лю-Кэ-Сю // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 5. С. 52-71.
21. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; под ред. В.С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.
22. Глобальная навигационная система NAVSTAR / И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин, П.С. Волосов и др. // Зарубежная радиоэлектроника. 1980. № 8. С. 52-83.
23. Бортовые устройства спутниковой радионавигации / И.В. Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин и др.; под ред. И.В. Кудрявцев. М.: Транспорт, 1988. 201 с.
Поступила 10.01.2019; принята к публикации 17.02.2020 Информация об авторах
Пантенков Дмитрий Геннадьевич - канд. техн. наук, начальник отделения радиосвязного оборудования, АО «Кронштадт» (115432, Россия, г. Москва, проспект Андропова, 18, кор. 9), тел. 8(926)109-23-95, e-mail: pantenkov88@mail.ru Литвиненко Владимир Петрович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: litvinvp@gmail.com
DIGITAL STATISTICAL SIMULATION MODEL OF SIGNAL PROCESSING IN NAVIGATION EQUIPMENT OF CONSUMERS OF SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEMS
D.G. Pantenkov1, V.P. Litvinenko2
^'Kronstadt", Moscow, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: currently, consumer navigation equipment (CEN) satellite radio navigation systems (SRNS) are installed on board all, without exception, moving objects (satellites, drones, ships, cars, etc.), allowing to determine the geographical position of an object in space (coordinates) and its linear velocity with the required accuracy depending on the targets. However, movable objects of a special purpose, functioning in the interests of the various law enforcement agencies and structures are also equipped with such navigation systems. In this case, it is necessary to pay particular attention to noise immunity of navigation equipment of consumers of satellite navigation systems in the presence of intentional interference that can destabilize the operation of the navigation equipment (lead to a breakdown in maintenance mode) or cause a large error in the measurements of coordinates and velocities (in the measurement mode). As a criterion for the effectiveness of the interference effect on the CEN SRNS, we adopted an exposure coefficient showing the minimum threshold for the excess of the interference signal power over a useful navigation signal, leading to the failure of tracking for no more than 5 seconds with a probability of at least 0.9. The developed digital statistical simulation model of the signal processing process in the CEN SRNS is presented, the effect of noise, signal-like and harmonic interference on the number of tracking failures is modeled, the probabilities of the failures are calculated, and the quantitative values of the exposure coefficients leading to the disruption of the functioning of the SRNS are calculated
Key words: digital statistical simulation model, interference efficiency, interference/signal ratio, impact factor, consumer navigation equipment, satellite radio navigation systems, tracking error, failure rate
References
1. Dyatlov A.P., Dyatlov P.A., Kul'bikayan B.H. "Radio electronic struggle with satellite radio navigation systems" ("Ra-dioelektronnaya bor'ba so sputnikovymi radionavigatsionnymi sistemami"), monograph, Moscow, Radio i svyaz', 2004, 226 p.
2. Kharisov V.N., Efimenko V.S., Oganesyan A.A., Pastukhov A.V., Pavlov V.S., Golovin P.M., Medvedev P.V. "Evaluation of interference suppression characteristics for GNSS receivers with antenna arrays in real conditions", Radio Engineering (Radio-tekhnika), no. 7, 2013.
3. Pantenkov D.G. "Results of estimation of noise immunity of primary correlation signal processing in navigation equipment of consumers of satellite navigation systems by the method of mathematical modeling", Actual Problems of the Design of Space Systems and Complexes: Coll. of scientific papers of graduate students and applicants for academic degrees (Aktual'nye voprosy proek-
tirovaniya kosmicheskikh sistem i kompleksov: sb. nauch. tr. aspirantov i soiskateley uchenykh stepeney), Khimki, 2014, issue 15, pp. 221-236.
4. Pantenkov D.G. "Results of estimation of noise immunity of primary correlation signal processing in navigation equipment of consumers of satellite navigation systems by experimental testing on models of separate elements of walls", Actual Problems of the Design of Space Systems and Complexes: Coll. of scientific papers of graduate students and applicants for academic degrees (Aktual'nye voprosy proektirovaniya kosmicheskikh sistem i kompleksov: sb. nauch. tr. aspirantov i soiskateley uchenykh stepeney), Khimki, 2014, issue 15, pp. 287-312.
5. Dmitriev D.D. "Research of noise immunity of radio navigation equipment", Modern Problems of Development of Science, Technology and Education (Sovremennye problemy razvitiya nauki, tekhniki i obrazovaniya: sb. nauch. tr.): collection of proceedings, Krasnoyarsk, IPK SFU, 2009, pp. 202-209.
6. Garin E.N., Dmitriev D.D. "Aggregation of means of satellite navigation systems with the autonomous navigation systems", Modern Problems of Radio Electronics: collection of proceedings (Sovremennye problemy radioelektroniki: sb. nauch. st.), Krasnoyarsk, IPK SFU, 2007. pp. 166-169.
7. "The art of navigational warfare" ("Iskusstvo navigatsionnoy voyny"), Series "TSR services of foreign countries", VINITI, inform. buell., 2001, no. 12, pp. 24-28.
8. "Global GPS location system and navigation war" ("Global'naya sistema opredeleniya mestopolozheniya GPS i navigatsion-naya voyna"), Series "TSR services of foreign countries", VINITI, inform. buell., 1999, no. 3, pp. 20-26.
9. Pantenkov D.G., Litvinenko V.P., Gusakov N.V. "Mathematical modeling of potential stealth of communication channel in multichannel radio lines", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta), 2013, vol. 9, no. 1, pp. 47-49.
10. Perov A.I. "Synthesis of the optimal algorithm of signal processing in satellite navigation receivers under the influence of harmonic interference", Radio Engineering. Radio systems (Radiotekhnika. Radiosistemy),2005, no. 7, pp. 36-42.
11. Perov A.I., Boldenkov E.N., Bakitko R.V. "Analysis of the influence of intra-system interference on the equipment of satellite radio navigation systems", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2009, no. 1, pp. 20-28.
12. Pantenkov D.G., Litvinenko V.P. "Criteria of efficiency of interference influence on objects of active radio monitoring", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 7, pp. 18-22.
13. Yudin V.N., Kamnev E.A. "Results of model experiment on radio suppression of navigation apparatus of consumers with four-element adaptive antenna array", Bulletin of the Russian Academy of Sciences (Vestnik RAYEN), 2018, vol. 18, no. 3, pp. 87-94.
14. Dolzhenkov N.N., Abramov A.V., Egorov A.T., Lomakin A.A., Pantenkov D.G. "On-board terminal of radio communication of unmanned aerial vehicle" ("Bortovoy terminal radiosvyazi bespilotnogo letatel'nogo apparata"), patent for utility model 191 165, Russian Federation, MPK H04 B 7/02 (2006.01), 26.07.2019, bull. 21.
15. Egorov A.T., Lomakin A.A., Pantenkov D.G. "Mathematical models for estimating the stealth of satellite radio channels with unmanned aerial vehicles. Part 1", Proceedings of the Educational Institutions of Communication (Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi), 2019, vol. 5, no.3, pp.19-26.
16. Weitzel A.V., Weitzel V.A., Tatarnikov D.V. "Equipment of high-precision positioning by signals of global navigation satellite systems: high-precision antennas. Special methods to improve as well as the accuracy of positioning" ("Apparatura vysoko-tochnogo pozitsionirovaniya po signalam global'nykh navigatsionnykh sputnikovykh sistem: vysokotochnye antenny. Spetsial'nye metody povysheniya tochnosti pozitsionirovaniya"), edited by M.I. Zhodzishsky, Moscow, MAI-PRINT, 2010, 38 p.
17. Monzingo R.A., Miller T.W. "Adaptive antenna arrays. Introduction to the theory" ("Adaptivnye antennye reshetki. Vvedenie v teoriyu"), translation from English edited by V.A. Leksachenko, Moscow, Radio i svyaz', 1986, 448 p.
18. Tyapkin V.N., Garin E.N. "Methods of determination of navigation parameters of mobile means with the use of satellite radio navigation system GLONASS" ("Metody opredeleniya navigatsionnykh parametrov podvizhnykh sredstv s ispol'zovaniyem sputnikovoy radionavigatsionnoy sistemy GLONASS"), monography / V.N. Tyapkin, Krasnoyarsk, SFU, 2012, 260 p.
19. Pantenkov D.G. "Results of the analysis of ground tests of a complex of means of satellite radio communication for unmanned aerial vehicles", Bulletin of Ryazan State Radio Engineering University (Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo radio-tekhnicheskogo universiteta), 2019, no. 69, pp. 42-51.
20. Pantenkov D.G., Gusakov N.V., Egorov A.T., Lomakin A.A., Litvinenko V.P., Velikoivanenko V.I., Lyu-Ke-Syu E.Yu. "Technical implementation of high-speed information channel of radio communication from an unmanned aerial vehicle to a ground control point", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta),, 2019, vol. 15, no. 5, pp. 52-71.
21. Shebshayevich V.S., Dmitriev P.P., Ivantsevich N.V. "Network satellite radio navigation systems" ("Setevye sputnikovye radionavigatsionnyye sistemy"), edited by V.S. Shebshayevich, Moscow, Radio i svyaz', 1993, 408 p.
22. Mishchenko I.N., Volynkin A.I., Volosov P.S. et al. "Global navigation system NAVSTAR", Foreign Radio Electronics (Zarubezhnaya radioelektronika), 1980, no. 8, pp. 52-83.
23. Kudryavtsev I.V., Mishchenko I.N., Volynkin A.I. "Onboard devices of satellite radio navigation" ("Bortovye ustroystva sputnikovoy radionavigatsii"), edited by I.V. Kudryavtsev, Moscow, Transport, 1988, 201 p.
Submitted 10.01.2019; revised 17.02.2020 Information about the authors
Dmitriy G. Pantenkov, Cand. Sc. (Technical), Head of the Department of Radiocommunication Systems, "Kronstadt" (18 prospekt Andropova, Moscow 115432, Russia), 8(926)109-23-95, e-mail: pantenkov88@mail.ru
Vladimir P. Litvinenko, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: litvinvp@gmail.com
