CC BY
59
УДК 621.391.26
ЗАДАЧИ РАДИОМОНИТОРИНГА ИЗЛУЧЕНИЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
© 2004 г. А.П. Дятлов, П.А. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян
In work for typical tactical situations at functioning satellite radionavigating system GPS the set of radiomonitoring tasks is specified. The initial data and algorithms of radiomonitoring monostable system in a general view are determined.
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) находят широкое применение при решении научных, хозяйственных и военно-прикладных задач.
Эффективность СРНС в значительной мере определяется такими характеристиками космического сегмента, как количество и параметры космических аппаратов (КА), а также их радиоизлучений (РИ).
С целью определения возможности использования СРНС при решении ответственных навигационных задач и организации противодействия необходим анализ текущего состояния и тенденций их развития.
В качестве одного из инструментов такого анализа можно использовать радиомониторинг (РМ), обеспечивающий контроль пространственных, энергетических, частотных и временных характеристик РИ всех КА, входящих в космический сегмент СРНС.
Данная работа посвящена формализации задач РМ РИ СРНС для тактических ситуаций, характеризующихся различным уровнем априорной неопределенности и функциональной сложности.
С целью конкретизации исследований в качестве СРНС остановимся на анализе GPS.
В настоящее время доступ к использованию услуг СРНС GPS бесплатный, но такая ситуация является временной как по экономическим, так и политическим тенденциям [1-3].
С целью снижения рисков и уменьшения экономических потерь от закрытия доступа к СРНС GPS необходимо проведение систематического РМ, по результатам которого возможна разработка асимметричных мер, начиная от вскрытия кода доступа, разработки новых методов определения местоположения объектов на основе использования РИ КА, входящих в космический сегмент СРНС GPS, и кончая организацией радиоэлектронной борьбы [2, 4].
В процессе РМ РИ СРНС GPS особого внимания заслуживают внештатные тактические ситуации, например [1, 2]:
1) своевременное выявление фактов как прекращения излучений отдельными КА, так и увеличение их энергетического потенциала;
2) своевременное выявление изменения в структуре и параметрах РИ отдельных КА;
3) своевременное выявление дополнительных КА и траекторных изменений существующих КА с целью перегруппировки космического сегмента СРНС GPS.
Модели радиообстановки (РО) в зависимости от особенностей тактических ситуаций описываются двухкомпонентными и многокомпонентными процессами [5].
При формализации задач РМ целесообразно использовать их систематизацию и унификацию на основе положений теории распознавания образов [6, 7].
1. К числу наиболее простых тактических ситуаций при РМ РИ GPS следует отнести задачу установления факта наличия или отсутствия РИ от отдельного КА, входящего в состав космического сегмента GPS, при наличии целеуказаний по пространственным, частотным и временным характеристикам РИ.
Данная тактическая ситуация соответствует статистической задаче обнаружения при следующих исходных данных.
Целеуказания по каждому КА для сеанса РМ могут быть описаны соотношениями:
вП5 в в I
I Р-ап 1<-
\а-а \< !
0,5
~
А/; _
T
t
< t < to + Tc
2
б0,5 < бр :
\ /; - /0\<
А /д
2
где an, Pn - истинное значение пеленга и угла места КА относительно позиции комплекса радиоЛ л
мониторинга (КРМ); а, в - оценки пеленга и угла
места КА относительно позиции КРМ; в05 - ширина
диаграммы направленности антенны (ДНА) КРМ; вр
- величина элемента пространственного разрешения РИ от различных КА; f - частота РИ КА; fs - частота сигнала, принимаемого КРМ; Af - диапазон допле-ровских смещений РИ КА, входящих в космический сегмент СРНС; Af - ширина спектра сигнала, принимаемого КРМ; Тэ - длительность элемента РИ КА; t0, Tc - момент начала и длительность сеанса РМ.
Наряду с приведенными исходными данными априорно известно, что РИ всех КА СРНС GPS используют однократную фазовую манипуляцию по закону Голда с разными коэффициентами порождающего полинома для каждого КА.
Исходные данные позволяют использовать при построении КРМ пространственную и частотную селекцию, что обеспечивает двухкомпонентный характер модели РО
y2(t) = S1(t, l, а) + n(t) при t0 < t < t0 + тс,
S:(t, l, а) = Umc n,(t -x,) cos[Os,(t -Ti) + 9s]; a si = Юо + Юд,-; юо = 2nf; юп = Юо;
Nc
П^) _ rect
i_\
t - (i - щ;
T
Nc є [\ TcT
Яп(т) = оп гп(х)соъаnтi, где у2(0 - аддитивная смесь фазоманипулированного сигнала (ФМС) S1(í, I, а) и гауссовой стационарной помехи п(/), образованной космическими, атмосферными помехами, а также внутренним шумом КРМ; S1(t, I, а) - квазидетерминированный ФМС с известной шириной спектра А/а и неизвестными амплитудой итс, манипулирующей функцией Щ/ —т), средней
частотой ю8і, начальной фазой <р5; гей [х] - временное окно длительностью Тэ; и, - коэффициенты, принимающие значения ±1 согласно закону чередования элементов в П,(0; т, - временной сдвиг, соответствующий дальности между «і» КА и КРМ; N -количество элементов ФМС за сеанс РМ; Лп(т), гп(т) -функция и коэффициент автокорреляции помехи п(ґ); <у2п - дисперсия помехи п(0 на входе КРМ; юп - средняя частота помехи п(ґ).
Алгоритм обнаружения ФМС в общем виде имеет вид
Но :Fl[y2(t)] = иу(Т) >ипор]
Н0: F\[y2(t)] _ Un (T ) < ^орі
при t0 < t < t0 + T, T < Tc,
где Но, Н0 - гипотеза о наличии и отсутствии сигнала; Fl\yШ - оператор, описывающий функциональные преобразования в обнаружителе; ПУ(Г), Пп(Г) -выходной эффект при воздействии на вход КРМ процессов у(/) и п(/); ипор - пороговое напряжение; /0, Т -момент начала и длительность сеанса обнаружения.
2. Вторая тактическая ситуация связана с контролем за изменением энергетического потенциала РИ КА СРНС во времени за счет увеличения мощности передатчиков или использования фазированных многолучевых антенн [2, 4].
Данная тактическая ситуация соответствует при использовании интервального оценивания статистической задаче различения уровней сигнала [7].
Исходные данные для этой задачи эквивалентны исходным данным рассмотренной задачи обнаружения.
Алгоритм различения уровней сигнала имеет следующий вид:
{Н} и Но; {Н} = (И!, ..., Н, ..., Ити>;
Л
И,: ^[у2(0] = и, (Т);
л л л л
пор i < Ui (T) < Ц^р i+\ при t, < t < t, + T.i ;
mu л U в - U
= ATT- VT^T-™ =.
пор
пор i+\ - Цюр i = AU; І T, < Tc; mu =-
в
пор1
l
AU
где {И,} - множество гипотез, соответствующих множеству оценок уровня сигнала (и,(Т)}; ипор, - ,
Л Л
пороговое напряжение; , Tt - оценка начала уста-
новления и, (Т) и длительности его существования; ив - верхняя граница ожидаемого уровня сигнала; Ди - шаг квантования уровня сигнала; ти - количество возможных уровней сигнала.
3. Третья тактическая ситуация связана с выявлением РИ КА в новых участках частотного диапазона при исходных данных, аналогичных для случая, соответствующего ! тактической ситуации, за исключением того факта, что средняя частота «нового» сигнала / априорно неизвестна {/ е / /в), где /н, / - нижняя и верхняя границы частотного диапазона}.
Данная тактическая ситуация соответствует статистической задаче совместного обнаружения и оценивания частоты сигнала.
{И/} и Но; {Н/} = {И/ ..., Н/, •••, Нт/};
%: F2[y2(t)] = fS] ; fj е / ± Д/дов / 2] ;
Д/п >> Д/m Д/n = /в -/н;
т/ =Д/п / Д/ ПРИ ¿о ^ t ^ ¿о + Т/ , Т/ ^ Тс ,
где {H/} - множество гипотез, соответствующих множеству оценок частоты {/} при интервальном оценивании; F2[y2(t)] - оператор, описывающий функциональные преобразования при оценивании частоты; Д/Дов - доверительный интервал при оценивании частоты; Д/п - ширина рабочего частотного диапазона; т/ - количество гипотез Н/ Д/^т - максимальная ширина спектра ожидаемых сигналов; Т/ -длительность сеанса оценивания частоты.
4. Четвертая тактическая ситуация связана с определением состава и параметров РО при наличии пространственных целеуказаний об исследуемом КА и наличии в эфире, кроме полезного РИ, непреднамеренных и организованных помех.
Исходные данные для этой ситуации соответствуют исходным данным для 1 тактической ситуации за исключением того, что модель РО на входе КРМ описывается не двухкомпонентным процессом y2(t), а многокомпонентным пр
yn(t) = Si(t, l, а ) + 2 P] (t, a) + n(t), где P] (t, a) - j
]=1
квазидетерминированный процесс, представляющий собой коррелированную помеху; np - ожидаемое количество коррелированных помех.
Данная тактическая ситуация может быть формализована в виде статистической задачи совместного разрешения, обнаружения и оценивания. Алгоритм для данной задачи в общем виде может быть описан следующими соотношениями:
{Ho,} и {Н/}; {Ho,} = {Hoi, ..., Но„ ..., Нп};
{H] = {H/i, ., Н/, ., Н/n}; п е [2, np + 2];
Ho,: Fs[yn(t)] ^ y2l(t) F4[y2,(t)] = U(T) > U^;
H/,: Fs[yn(t)] ^ y2,(t) ^ F5[y2,(f)] = fsl;
yn(t) = Z S, (t) + n(t) ; fsi е . ± Д/р/ 2]
,=1
при ¿o ^t ^ ¿o + To / , To / ^ Тс , где {Ho,} - множество гипотез, соответствующих обнаружению (np + 1) компонент; F3[yn(t)] - оператор разрешения компонент на основе частотной селекции; F4(5)[y2,(t)] - оператор, описывающий функциональные преобразования при обнаружении и интервальном оценивании частоты г'-й компоненты S,(t); U,(T) - эффект на выходе обнаружителя S,(t); Д/p - разрешающая способность по частоте; To/ - длительность сеанса при решении задачи совместного обнаружения и оценивания частоты.
5. Пятая тактическая ситуация связана с установлением факта наличия контроля за энергетическим потенциалом РИ КА при отсутствии точных пространственных целеуказаний. Такая ситуация возникает при нестационарных траекториях КА и в случае необходимости проведения РМ в режиме сопровождения РИ различных КА «на проходе».
Данная тактическая ситуация может быть формализована в виде статистической задачи совместного пространственного поиска, обнаружения и различения.
Алгоритм для данной задачи в общем виде может быть описан следующими соотношениями:
Но и {H/e}; {Hj0} = {H10, ..., Н,е, ..., Hm0};
Hj0: F6[y2(t)] =e/ =(а;, )});
ej ej, ±Лед /2]; Аед < ео,5;
Аа Ав
e~ e 2
e 0,5
при to <t < to + тв, Te < Tc
где {Ні0} - множество гипотез, соответствующих мно-
л
жеству оценок пространственных координат КА{ }
лл
при интервальном оценивании; а}-, в і - і оценка пеленга и угла места, соответствующая гипотезе Иі0; F6[y2(t)] - оператор, описывающий функциональные преобразования при определении пространственных координат КА; Д9д - доверительный интервал при оценивании пространственных координат; Да, Дв - сектор неопределенности по азимуту и углу места; т9 -количество гипотез И0; Т9 - длительность сеанса оценивания пространственных координат КА.
6. Шестая тактическая ситуация связана с долговременным мониторингом РИ конкретных КА на основе автосопровождения с целью контроля их траек-торных, энергетических и частотных характеристик.
Исходные данные для этой ситуации характеризуются многокомпонентной РО, в состав которой могут входить один или несколько полезных сигналов, а также и коррелированные помехи. В зависимости от детализации исходных условий эта ситуация соответствует целому набору статистических задач.
6.1. В случае необходимости контроля состава РИ исследуемого КА, а именно, наличия сигналов на частоте Ь1 с использованием С и Р кодов, и на частоте Ь2 с использованием Р кода [4] следует решать статистическую задачу совместного обнаружения, автосопровождения и классификации.
Алгоритм для данной задачи в общем виде может быть представлен следующим образом:
И0 и Нл и {Нкі}; {Нкі} Є {Н*ь Нкь Икт};
а) на частоте Ь1 т = 3 Ни - Нс: ^[кХО] = Sc(t);
Нк1 - Ир: ^8[уп(0] = ¿Лр (/);
Нкт - Нср: ^8[Уп(/)] = ^ (/) + Sр (/) ;
Уп(/) = Sc(t) + -5'р(/) + п(0
при /о < / < /о + ТкЪ Тк1 < Тс ;
б) на частоте Ь2 т = 1
Нк1 - Ир: ^10[У2(/)] = ¿Лр (/); Н0 и НИ (Нр);
У>(0 = Sр (/) + п(/) при /о < t < /о + Тк2 , Тк2 < Тс ,
где {Нк,} - множество гипотез, соответствующих различным вариантам состава компонент в РИ КА; Нс, Нр - гипотеза о наличии в РИ КА сигнала Sc(t) или Sp(t),
т.е. кодов С или Р; Нср - гипотеза о наличии в РИ КА
Л Л
одновременно сигналов Sc(t) и Sp(t); Sс (/) и Sр (/) -
оценка сигналов Sc(t) и Sp(t); ^[уДО], ^[уДО], ^э[уп(/)]- операторы, соответствующие функциональным преобразованиям, обеспечивающим разделение и оценку наличия сигналов Sc(t) и Sp(t); ^1о[у2(/)] - оператор, обеспечивающий функциональные преобразования по выделению сигнала Sp(t); Тк1, Тк2 - длительность сеанса классификации состава РИ КА.
6.2. В случае необходимости обеспечения автосопровождения РИ исследуемого КА в условиях воздействия на боковые лепестки ДНА КРМ организованных помех на частоте Ь1, например, от передатчика, предназначенного для радиоэлектронного подавления аппаратуры потребителя (АП) вР8, следует решать статистическую задачу совместного разрешения, обнаружения, автосопровождения.
Алгоритм для данной задачи в общем виде может быть представлен следующим образом
Но8 и Нор и Не;
Но*: ^„[уз(0] = и ДО > и пор1;
Нор - Нр: ^12[Уз(/)] = ир (0 > ипор2 ;
Не: ^з[уз(0] =е; / - /р <Д/ /2;
Уз(0 = S c ^)+ р(0 + п(/)
при /о < < /о + Tеp, Тер < Тс, где Ноа, Нор - гипотезы о наличии полезного сигнала Sс(t) и коррелированной помехи р(/); Не - гипотеза об интервальной оценке пространственных координат
Л Л
КА; иа ^), ир ^) - оценки, свидетельствующие о наличии сигнала Sс(t) и помехи р(/); ипор1, ипор2 - пороговые напряжения при обнаружении Sс(t) и р(/); /а,/р -средняя частота сигнала Sс(t) и помехи р(/); Тер - длительность сеанса при решении задачи 6.2.
6.3. В случае необходимости обеспечения демодуляции сигналов исследуемого КА для вскрытия закона и параметров манипулирующей функции, например, с целью формирования имитационной помехи, используемой для радиоэлектронного подавления АП вР8, следует решать статистическую задачу совместного обнаружения, автосопровождения, классификации, оценивания, демодуляции.
Алгоритм для данной задачи в общем виде может быть представлен следующим образом:
Но и И и Не и {И/,} и {Н„} и Ид;
{Нт} = {И!,, ., Нт,., Нтт}, тг= 2Дт/Тэ;
Нт,: ^^(О] = т, ; т, е [г, ± Дгд /2]; Дгд < Т, / 2 ;
Ид: ^У«] = П(/-г ,)
при /о < < /о + Тд, Тд < Тс,
где {И/,} - множество гипотез, соответствующих множеству оценок временного сдвига т манипулирующей функции сигнала, обусловленного разносом КА и КРМ; Дт - интервал неопределенности для параметра т,; тт - количество гипотез И; Дтд - довери-
Л
тельный интервал при оценивании т,; т, - оценка
временного сдвига т,; Р14{уъ(Щ - оператор, описывающий функциональные преобразования при оценивании параметра т,; Нд - гипотеза о достоверной демодуляции; ^15{у2(0] - оператор, описывающий функциональные преобразования при демодуляции; Тд - длительность сеанса демодуляции.
7. Седьмая тактическая ситуация связана с мониторингом РИ всех КА СРНС, находящихся в зоне наблюдения однопозиционного КРМ.
Актуальность использования однопозиционного КРМ обусловлена существенным снижением объема используемой аппаратуры и стоимости организации и проведения РМ по сравнению с многопозиционными КРМ.
Данная тактическая ситуация соответствует статистической задаче сопровождения на «проходе» совместно с задачами разрешения, обнаружения, различения, классификации, оценивания, демодуляции.
Набор совместно решаемых задач определяется целями и исходными данными РМ, примеры которых рассмотрены при описании вышерассмотренных тактических задач.
Отличительной особенностью РМ с использованием сопровождения на «проходе» является возможность повышения пропускной способности и формирование комплексного целеуказания для радиоэлектронного подавления АП вР8, использующих РИ от 4 до 12 КА, входящих в космический сегмент вР8 и находящихся в зоне наблюдения КРМ в конкретный момент времени.
Алгоритм для данной задачи может быть представлен в следующем виде:
{Но} и {Не} и {Не} и {И/} и {И} и {Нд}
при /о < < /о + ТКА ;
Но,- и Ид- и Не,- и Н- и И и Нд,, - е [1, Ж]
Т
при t( У-1) < t < t( У-1) + Тс, , Тс, <^Т ,
где {Hо,},{Hc},{He,},{Hií},{Hт,},{Hд,} - множество рассмотренных выше гипотез для РМ РИ КА, входящих в космический сегмент СРНС и находящихся в зоне обслуживания КРМ; ТКА - длительность возможного контакта КРМ с КА; t(j _ j), Tc, - начало и длительность РМ РИ j-го КА; N - количество КА, находящихся в зоне наблюдения КРМ.
Конкретизация алгоритмов рассмотренных выше задач РМ возможна на основе использования результатов синтеза при применении следующих статистических критериев эффективности [8]:
а) для задач обнаружения - критерия Неймана-Пирсона;
б) для задач различения, классификации, интервального оценивания и демодуляции - критерия идеального наблюдателя;
в) для задач разрешения и точечного оценивания -критерия максимального правдоподобия;
г) для задач совместного решения нескольких частных статистических задач - критерия среднего риска.
Литература
1. Додель Г., Скоог И., Силантьев Ю. // Радиотехника. 1996. № 1. С. 74-81.
2. Глобальная система определения местоположения GPS и навигационная война (обзор) // Иностранная печать об экономическом, научно-техническом и военном потенциале государств-участников СНГ. Серия «Технические разведывательных служб зарубежных государств» / ВИНИТИ. М.,
1999. № 3. С. 2о-26.
3. Денисов В.И., Дрогайцев В.М., Курланов А.Д. и др. // Радиотехника. 1996. № 1. С. 69-73.
4. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.,
2000.
5. Дятлов А.П., Кульбикаян Б.Х. // Вестн. РГУПС. Ростов н/Д, 1999. № 1. С. 25-3о.
6. Дятлов А.П., Кульбикаян БХ. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2ооо. № 2. С. 39-41.
7. Дятлов А.П., Кульбикаян БХ. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2ооо. № 2. С. 42-44.
8.Харченко В.П., Косенко Г.Г., Кукуш А.Г. // Радиоэлектроника. Изв. вузов. 1994. №3. С. 52-59.
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
Ростовский государственный университет путей сообщения____________________________________26 декабря 2003 г
