Анализ совместимости системы «Навстар» и «Енисей-Р»

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система «Навстар»

1.1 Назначение системы

В ближайшие годы основным корректирующим средством навигационного обеспечения судов морского флота станет глобальная среднеорбитальная радионавигационная система типа «Навстар» .

Аппаратура потребителей этой системы позволит определять не только высокоточные координаты места (широта, долгота, высота), но и скорость движения объекта по всем трем координатам, а также поправку к шкале времени.

Точность определения навигационно-временных параметров по сигналам этой системы не будет зависеть от географического района, времени года и суток, метеоусловий.

В России успешно разрабатывается Глобальная навигационная спутниковая система (Глонасс), которая по техническим характеристикам не будет уступать системе «Навстар» .

Общее руководство работами по созданию системы, начатыми в 1973 г., осуществляет управление ракетно-космическими системами ВВС США SAMSO (Space and Missile System Organization). «Навстар» называют также Глобальной системой определения места — GPS (Global Positioning System).

Система способна обслуживать неограниченное количество подвижных и стационарных объектов, находящихся в любой точке поверхности Земли, воздушного и околоземного космического пространства, с высокой надежностью при любых метеоусловиях в любое время. Формат сигналов, излучаемых системой, позволяет непрерывно измерять навигационно-временные параметры потребителей с повышенной и пониженной точностью. В последнем случае система используется для навигации самолетов и вертолетов гражданской авиации и судов морского флота.

1.2 Основные особенности системы

Спутниковая система «Навстар» является среднеорбитальной квазидальномерной, обеспечивающей определение координат места, скорости изменения координат и поправки к шкале времени. Первоначально глобальность системы предполагалось обеспечить за счет равномерного размещения 24 космических аппаратов (КА) на круговых средневысотных орбитах высотой около 20 000 км в трех плоскостях, наклонных на 63° к плоскости экватора и разнесенных по долготе на 120°. Такое расположение КА гарантирует видимость 6−11 КА в любой точке и в любое время. Затем концепция изменилась: на шести орбитах предполагается разместить 18 КА по три на каждой. Кроме того, предусматривается наличие трех резервных КА. При такой структуре системы количество видимых несколько раз в день с длительностью 20 — 30 мин КА может быть менее четырех. Система является квазидальномерной, так как используемые для определения координат временные задержки между потребителем и КА измеряются с систематической погрешностью вследствие рассогласования шкал времени, формируемых на борту потребителя и КА. Для исключения этой погрешности, измеренные квазидальности до разных КА попарно вычитаются, в результате чего формируется разностно-дальномерные измерения. С учетом этого, квазидальномерная система является разностно-дальномерной.

Измерения квазидальностей выполняются путем измерения временных интервалов между огибающими псевдослучайных последовательностей импульсов, принимаемых с КА и формируемых на борту потребителя. Поэтому для случая определения координат места и поправки к шкале времени система является импульсной.

При определении мгновенной скорости изменения координат места потребителя измеряются квазидоплеровские сдвиги частот путем измерения рассогласования между несущими частотами, принимаемыми к КА, и несущей частотой, формируемой на борту потребителя. Поэтому для случая определения скорости система является фазовой. Следует особо отметить высокую точность измерения текущей скорости по сигналам системы «Навстар». Сигналы этой системы шумоподобны и представляют собой непрерывные фазоманипулированные синусоидальные напряжения. Мощность сигналов на входе приемника аппаратуры потребителя (АП) в полосе частот, согласованной с одиночным импульсом шумоподобного сигнала, в десятки тысяч раз меньше уровня шума. Вследствие этого обнаружить, а тем более распознать структуру сигналов системы практически невозможно. Система обладает высокой помехозащищенностью. Величина отношения средней мощности сигнала после его свертки к мощности шума в полосе 1 Гц, которая позволяет оценить величину отношения сигнал — шум (по мощности) на выходе системы с различными полосами пропускания, составляет более 1000.

Одновременно с навигационно-временной информацией в виде потока шумоподобных импульсов система передает информационный поток, содержащий данные о параметрах орбит (альманахе), координатах КА (эфемеридах), о параметрах ухода частично-временной шкалы стандартов частоты и времени КА и др.

Система непрерывно передает два навигационно-информационных потока данных, обеспечивающих определение навигационных параметров потребителя с разной степенью точности. Так называемый С/А-сигнал (Clear or Coarse Acquisition — легко или грубо обнаруживаемый) предназначен для определения навигационно-временных параметров с меньшой точностью и может быть использован широким кругом потребителей, в первую очередь гражданских. Р-сигнал (Protected or Precise — санкционированный или точный) предназначен для военных потребителей с использованием специальных модификаций АП. Соотношение погрешностей между С/А и Р — сигналов составляет 10:1. Однако, величина погрешностей определения скорости по сигналам системы одинакова.

Для расчета навигационно-временных параметров потребителя достаточно трех — четырех КА из 6 — 11 видимых. При наличии 3 КА можно определить плановые координаты, если известна высота потребителя, при наличии 4 КА — все три координаты места, включая высоту, по одному КА — поправку к местной шкале времени при известных координатах объекта.

1.3 Структура системы

Система «Навстар» состоит из трех подсистем: КА; командно-измерительного комплекса, включая стартовый ракетно-космический комплекс; АП. В сеть КА входят 24 аппарата, излучающих синхронизированные навигационные сигналы и передающих в составе кадра сигнала специальную информацию. В состав каждого КА входят: передающее устройство с системой формирования навигационно-информационных сигналов; высокостабильный, стандарт частоты для формирования шкал времени и обеспечения взаимной синхронизации сигналов КА; устройство для приема информации с пунктов наземного КИК; ЭВМ с блоком памяти для оперативного управления аппаратурой КА и хранения массива специальной информации; приемопередающая аппаратура для обмена с пунктами наземного КИК телеметрической информацией о техническом состоянии аппаратуры КА; система приемопередающих антенн, первичные источники электропитания; система ориентации КА; система терморегулирования.

Наземный КИК состоит из сети командно-измерительных пунктов (КИП) и центра управления системой (ЦУС). Сеть КИП предназначена для непрерывного слежения за техническим состоянием КА, определения параметров движения КА, параметров ухода шкалы времени КА, относительно наземной шкалы времени КА, относительно наземной шкалы времени системы, передачи на КА необходимой информации, передачи в ЦУС данных траекторных, частотно-временных и телеметрических измерений всех видимых КА.

КИП, непрерывно контролирующие КА в разных районах земного шара, размещены в США, в штатах Калифорния и Аляска, на острове Гуам, на Гавайских островах.

КИП оснащены высоконаправленными антеннами с большими коэффициентами усиления и высокоточной аппаратурой для измерения параметров движения и ухода шкалы времени КА относительно шкалы времени системы, которую формируют высокостабильные стандарты частоты. Кроме того, КИП оснащены аппаратурой для сбора телеметрической информации о техническом состоянии КА. Поток информации с КИП поступает в ЭВМ ЦУС, которая на основе принятой с КИП информации вычисляет параметры движения и ухода шкалы времени КА и прогнозирует эти параметры на несколько витков вперед. ЦУС, основываясь на данных о техническом состоянии КА, принимает решения о замене вышедшей из строя аппаратуры на резервную или дублирующую или о необходимости запуска новых КА. Массив информации с ЦУС передается на информационно-передающие пункты (ИПП) обеспечивающие передачу массива информации на КА системы. Эфемеридная информация и частотно-временные поправки передаются на каждый КА отдельно, альманах системы о параметрах орбит всех КА передается на каждый КА системы. Во время очередного пролета КА массив информации заменяется на более точный.

АП, размещаемая на определяющихся объектах, призвана обеспечивать определение навигационно-временных параметров на борту потребителя. В состав АП входят: антенная система; предварительный усилитель сигналов с малым коэффициентом шума; приемное устройство для усиления и частотного преобразования сигналов; цифровое устройство для временной свертки шумоподобных сигналов; ЭВМ для реализации оптимальных алгоритмов первичной и вторичной обработки информации, пульт ввода и индикации для управления работой устройств и индикации выходной информации.

1.4 Навигационно-временные сигналы системы

Система «Навстар» излучает сигнал в дециметровом диапазоне на когерентных центральных частотах L1 = 1575,42 Мгц и L2 = 1227,6 МГц. Когерентность центральных частот обеспечивает путем умножения опорной частоты 10,23 МГц на целое число L1 = 154 * 10,23 МГц; L2 = 120 * 10,23 МГц.

Для приема кодированных сигналов от КА на частоте L 1 или L2 используется фазовое кодовое и частотное разделение сигналов в АП. Сигналы с КА излучаются неисправленной антенной с круговой поляризацией.

1.5 Информационные сигналы системы

Наряду с навигационно-временным протоком шумоподобных сигналов на центральной частоте L1 каждый КА передает информационные данные, необходимые для навигационно-временных определений. В этом потоке данных содержится следующая специальная информация: эфемериды данного КА, частотно-временные поправки к шкале времени данного КА, альманах системы (для всех КА), ключевые слова для вхождения в синхронизм по сигналам Р-кода, поправки за распространение радиоволн, телеметрическая информация.

Эфемериды, частотно-временные и атмосферные поправки передаются каждые 30 с. Структура передаваемой в течение 30 с информации называется кадром информационного сигнала. По истечении каждого часа кадр сигнала меняется, то есть передаются новые значения частотно-временных и атмосферных поправок, а также новая эфемеридная информация о координатах КА, привязанных к новому часу.

Специальная информация с КА передается со скоростью 50 бит/с путем манипулирования по фазе псевдослучайной последовательности навигационных сигналов. Для кодирования передаваемой информации используется метод относительной фазовой манипуляции.

1.6 Скрытность и помехозащищенность

Система обладает небольшой мощностью сигналов. На входе приемника вся мощность С/А-сигнала сосредоточена в полосе частот Дf (С/А) = 2МГц, Р-сигнала в полосе частот Дf (Р) = 20МГц. О высокой помехозащищенности системы, так же говорит тот факт, что отношение сигнал — шум для С/А — и Ркодов на выходе демодулятора ПСП лежит в пределах от 10 до 100, причем при неизвестном коде информационного канала. После приема специальной информации производится снятие кодовой последовательности информационного канала модуляции с целью дальнейшего увеличения помехозащищенности, при этом вся мощность сигнала будет сосредоточена в одном спектральном компоненте.

В АП полоса пропускания Дfн замкнутой системы слежения за несущей для измерения квазидоплеровского сдвига лежит в пределах от 20 Гц до 2 Гц. При этих же условиях полоса пропускания Дf3 замкнутой системы слежения за задержкой для измерения квазидальностей составляет от 1 до 0,03 Гц. Сужение полос пропускания приводит к дальнейшему повышению помехозащищенности АП.

Из-за сильной зависимости от простейших организованных помех в виде расстроенной несущей использование GPS в ряде случаев окажется невозможным. Причем в обоих (гражданском и военном) каналах. При этом для глушения ни гражданского, ни военного канала знать коды фазоманипулированных сигналов не требуется.

Фазоманипулированные сигналы не являются наиболее помехозащищенными.

К этим утверждениям авторы приходят после демонстрации следующих иллюстраций (Рис. 1.1).

Действительно, при работе детектора фазового перехода в виде «приема в целом» т. е. анализа коррелограммы входного сигнала и его записанной копии, выделение полезной информации будет затруднено и в ряде случаев невозможно вследствие биений частот генераторов спутника и постановщика помех (другие причины почему-то не рассматриваются NB!).

Но это совершенно не означает, что примененный способ детектирования является единственным и оптимальным при суперпозиции полезного сигнала со всеми возможными помехами (тем более этого никто математически корректно не доказал несмотря на [3]). И если способ постановки помех с помощью расстроенной несущей действительно близок к оптимуму [3], то это утверждение следует распространять только на алгоритм «прием в целом» но не делать неоправданных и непроверенных допущений о том, что и все другие приемники будут подавлены таким способом.

Попробуем экспериментально проверить устойчивость детектора другого типа в условиях работы заявленного постановщика помех (алгоритм и программа мои, исходные тексты могут быть представлены для проверки). Обнаружим фазовый переход входного сигнала с помощью вычислителя гипотенузы из результатов его перемножения на две квадратуры с частотой несущей. Полученную смесь фильтруем с помощью двух оптимизированных для данной задачи КИХ ФВЧ, причем их выходы подключены к компаратору с гистерезисом (результат работы схемы понятен из рисунка 1.2).

Рисунок 1.1 — Появление биений на входе приемника при постановке помехи в виде расстроенной несущей

Очевидно, что такая схема приемника будет работать при детектировании сигналов с фазовой модуляцией. При этом следует учесть, что это решение является лишь одним из множества возможных. Кроме того (и это весьма важно), все другие блоки приемника GPS за исключением детектора могут быть использованы без переделок.

Подадим помеху от внешнего генератора с расстроенной несущей (т.е. полностью имитируем условия приведенные в [2]). Уровень помехи зададим равным входному сигналу для того, чтобы обеспечить наименее благоприятный в смысле глубины модуляции результирующего сигнала вариант. Посмотрим на выделение сигнала (Рис. 1.3). Очевидно, что постановщик помехи, который при таком уровне сигнала, по мнению авторов [2], гарантированно должен вывести из строя приемник с традиционным алгоритмом работы детектора, абсолютно неэффективен. Здесь следует оговориться, что в рассуждениях авторов возможна ошибка, иначе непонятно, почему при нарастании уровня помехи эффективность глушения стандартного приемника возрастает — ведь амплитуда огибающей не растет т.к. определяется уровнем сигнала от спутника и не может быть выше его.

Оставим, впрочем, теоретические рассуждения, потому, что вопрос, кажущийся ясным изначально, тоже, к сожалению, подчиняется законам Мерфи. Зафиксируем лишь, что в результате эксперимента выясняется, что максимум, чего удается добиться такой помехой — небольшое понижение точности определения момента фазового перехода входного сигнала, что будет вызывать пренебрежимо малые погрешности точности определения местоположения приемника.

Небольшое (на десятки децибел) повышение уровня монохроматической помехи мало чего дает в смысле выведения приемника из строя, хотя при значительном повышении уровня помехи этот алгоритм, разумеется, не справится с задачей, но напомним, что он — не единственное решение. Кроме того, повышение уровня (не превышающее величины «забития» динамического диапазона приемника) немодулированной помехи ухудшает обнаружение фазовых переходов не вследствие биений сигналов, а потому, что сигнал помехи имеет паразитную АМ и ее вклад в результирующую компоненту растет прямо пропорционально уровню помехи. Этот факт в доступной литературе не учитывается совершенно и значительно опаснее, как следует из [1], работа нескольких глушителей, настроенных на разные частоты и имеющих разные величины вклада в смесь сигналов на входе приемника.

Пусть есть четыре постановщика помехи, имеющие разные частоты генераторов, случайную начальную фазу генерации и разный уровень выходного сигнала.

Задействуем дополнительные постановщики помех, по меньшей мере один из которых имеет АБГШ компоненту, втрое превышающую полезный сигнал по междупиковому размаху на входе приемника (Рис. 1.4).

Рисунок 1.2 — Обнаружение фазового перехода в условиях нулевых помех (постановщики помех выключены). Падение уровня сигнала на выходе фильтра обусловлено ПОС, обеспечивающей гистерезис, задержка обнаружения константна и определяется кроме прочего параметрами ФВЧ 1 и ФВЧ 2.

Предположим теперь, что в качестве постановщика помехи используется современный цифровой глушитель. По словам директора российского ООО «Авиаконверсия» Олега Антонова: «Цифровой глушитель нового поколения, получив часть навигационного радиосообщения, запоминает его и затем многократно повторяет в эфире. Такой метод постановки помехи продемонстрировал очень высокую эффективность». Опробуем его действие на предлагаемом детекторе (Рис. 1.5).

Разумеется, что как только соотношение сигнал/помеха ухудшится, приемник будет выведен из строя, т. е. современный глушитель значительно эффективнее простейшего. Впрочем, его работу можно описать следующей аналогией — попытка помешать телефонному разговору, подмешивая в линию запись предыдущих фраз абонента. Естественно, что любая сколько-нибудь интеллектуальная система легко справится с такой задачей. Т. е. эффективность такого глушения будет сох — простейшего. Впрочем, его работу можно описать следующей аналогией — попытка помешать телефонному разговору, подмешивая в линию запись предыдущих фраз абонента. Естественно, что любая сколько-нибудь интеллектуальная система легко справится с такой задачей. Т. е. эффективность такого глушения будет сохраняться лишь до тех пор, пока примитивные детекторы GPS не будут использовать принципы априорного знания, адаптацию к длинам реализаций, предсказание вперед, проверку по критерию максимального правдоподобия и т. д. и т. п.

Рисунок 1.3 — Неэффективная работа постановщика помех. Фазовый переход уверенно обнаружен Не будем забывать, однако, что по существу предложенный детектор является всего лишь вариантом системы, предназначенной для детектирования сигналов с амплитудной модуляцией. Следует ожидать, что постановщик помехи, использующий амплитудную составляющую, выведет систему из строя при том же соотношении сигнал/помеха. Проверим эту гипотезу (Рис. 1.7).

Рисунок 1.4 — Работа детектора в условиях множества генераторов, вызывающих образование сложной смеси на входе приемника. Работоспособность системы сохраняется полностью Учитывая тот факт, что предложенный вариант детектора по определению не является единственным при модернизации этого узла, следует предполагать, что такие исследования, несомненно, ведутся разработчиками высокоточного оружия. Не исключено, естественно, что при проведении масштабного и успешного НИР будут получены решения, позволяющие действительно существенно повысить стойкость системы к помехам. При этом распространяемые сообщения типа: «намечаемое повышение мощности радиопередатчиков GPS в восемь раз», «оснащение GPS-приемников узконаправленными антеннами», «построение антенной решетки и уменьшение коэффициента усиления антенны в направлении jammer «, «предлагается адаптивная узкополосная режекторная фильтрация» — являются, скорее всего, отвлекающим маневром или дезинформацией. В действительности, по меньшей мере, один из противников серьезно готовится к применению ВТО. А рассуждения: «…ведь любая мало-мальски технически развитая страна способна наладить производство GPS-подавителей…американцам придется вернуться (хотя бы на время) к обычным алгоритмам войны или стать ангельски смирными» следует оставить на совести авторов.

Рисунок 1.5 — Несмотря на впечатляющую помеху на входе приемника, сигнал успешно детектируется Впрочем, любая деятельность в направлении постановки помех современному ВТО, будет по существу — паллиативом, если не учитывать наиболее общие принципы РЭБ.

Пока оценить результат борьбы системы наведения на базе GPS и постановщиков помех достаточно просто. Можно с уверенностью предсказать победу системам подавления при выполнении следующих условий.

Система GPS не станет параметрической, т. е. не сможет изменить свои характеристики принципиально и в нужный момент времени, т. е. она будет продолжать использовать те же частоты, тип модуляции и т. п.

Система GPS не станет интеллектуальной, т. е. будет использовать примитивные способы обнаружения/распознавания сигналов спутников.

Рисунок 1.6 — Близкая к нулю эффективность работы современного глушителя при соотношении сигнал/помеха 1:1 и более раннем захвате полезного сигнала, чем сигнала помехи Постановщики помех не будут использоваться постоянно, чтобы противник не мог заблаговременно обнаружить их и вывести из строя (никто ведь в обороне не раскрывает положение своих огневых точек раньше времени).

Постановщики помех будут иметься в достаточном количестве, комплектоваться эффективными носителями и использоваться в рамках адекватного управления операцией.

Разработкой и производством средств РЭБ будут заниматься не радиолюбители, а государство.

1.7 Экспериментальная проверка помехозащищенности GPS

В американской спутниковой навигационной системе GPS NAVSTAR используются фазоманипулированные (ФМ) сигналы, считавшиеся наиболее помехозащищенными. Во времени ФМ сигнал представляет собой синусоиду, фаза которой в заданные моменты времени меняется на противоположную. В приемнике GPS осуществляется прием посылки, когда 1 бит, передается с помощью 1024 элементарных ФМ-посылок, т. е. применяется коррелятор, сворачивающий имеющийся в приемнике копию с принимаемым сигналом, т. е. осуществляется прием 1024 элементов в целом.

Рисунок 1.7 — Неэффективность предложенной системы детектирования в условиях помех со стопроцентной глубиной амплитудной модуляции. Фазовый переход не обнаружен.

Полоса пропускания входных цепей коррелятора не может быть уже величины примерно 1/ф, где ф — длительность элементарной посылки ФМ-сигнала. А для увеличения точности измерения времени прихода полоса пропускания должна быть больше. Если в пределах полосы пропускания входных цепей коррелятора GPS окажется помеха в виде немодулированной несущей, между ФМ-сигналом и помехой возникнут биения, представляющие собой несущую частоту, расположенную между частотой ФМ-сигнала и частотой помехи. Эта несущая оказывается промодулированной по амплитуде частотой, равной разности частот ФМ-сигнала и помехи, а фаза в соседних максимумах биений сдвинута на 180 градусов (Рис. 1.8). При расстройке частоты на величину порядка 1/ф фаза меняется примерно так, как у исходного ФМ-сигнала. В результате сложения ФМ-сигнала и помехи получится сигнал, далекий от исходного ФМ-сигнала, поэтому на выходе коррелятора сигнальная компонента будет значительно подавлена. В результате работа GPS в радиусе действия станции помех (примерно прямая видимость) нарушится. Для проверки данного теоретического предположения был проведен эксперимент.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Для проведения эксперимента был взят серийный приемник фирмы ASHTECH типа OEM Sensor (12 канальный, одночастотный F0 =1575,42 МГц с открытым C/A кодом), программное обеспечение ver.1E11DRP. Антенна GPS (самолетная) P/N AT 575−12, фирмы Aero Antenna Technology Inc. с типовым кабелем длиной 10 м. Антенна располагалась на высоте 15 м над землей. В качестве передатчика активной помехи использовался высокочастотный генератор стандартных сигналов типа Г4−78, максимальная выходная мощность на выходе 0,0001 Вт; выходной аттенюатор от 0 дБ до -130 дБ; генерация непрерывная, суммарная максимальная погрешность установки частоты генератора по шкале 0,2%. Антенной передатчика служил полуволновой вибратор, расположенный на высоте 1 м. Расстояние между антенной передатчика помех и приемника GPSизменялось от 0 до 200 м. Для индикации использовалась IBM PC с программой приема, отображения, регистрации и управления для приемника GPS — ashmono.exe.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. При работе передатчика помехи (ГСС) на мощности 0,0001 Вт при введенном аттенюаторе -14 дБ в диапазоне частот от 1576 МГц до 1579 МГц приемник незахватывал ни одного из видимых спутников GPS. При выключении активной помехи (ГСС) приемник GPS принимал сигналы и обрабатывал информацию от 5 спутников (Рис. 1.9).

2. При настройке ГСС в пределах 1575 МГц до 1576 МГц при выведенном аттенюаторе мощность принимаемого от спутников сигнала падала, а работа приемника GPS была ненадежной.

3. Наибольшее воздействие на приемник оказывает организованная помеха в диапазоне частот от 1576 МГц до 1579 МГц.

4. Перемещение передатчика помех в отрицательные углы обзора антенны приемника GPS не сказывается на эффективности глушения сигналов GPS.

5. Пересчет энергетики радиолинии показывает, что при мощности передатчика помех порядка 1 Вт дальность глушения в свободном пространстве может достигать 500 км.

Следует иметь в виду, что эксперименты проводились с одним типом приемника GPS.

Выводы

1. Из-за сильной зависимости от простейших организованных помех в виде расстроенной несущей использование GPS в ряде случаев окажется невозможным. Причем, в обоих (гражданском и военном) каналах. При этом для глушения ни гражданского, ни военного канала знать коды ФМ-сигналов не требуется.

2. Поскольку фазоманипулированные сигналы используются во многих других системах, а помехозащищенность их к узкополосной помехе практически отсутствует, весьма актуальным является разработка метода построения системы сигналов, обладающих повышенной помехозащищенностью к ансамблю помех.

Рисунок 1.8

Рисунок 1.9 — Приемник фирмы ASHTECH типа OEM (12 канальный, одночастотный F0 =1575,42 МГц с открытым C/A кодом), программ. обеспечение ver.1E11DRP. Антенна GPS P/N AT 575−12, фирмы Aero Antenna Inc. — длина кабеля 10 м.

1.8 Источники погрешностей системы

Координаты места, скорости измерения координат и поправка к шкале времени потребителя определяются с некоторыми погрешностями.

На точность определения навигационно-временных параметров потребителя влияют погрешности АП; взаимной синхронизации шкал времени КА; эфемерид КА; за условия распространения радиоволн; из-за многолучевости.

Точностные характеристики АП определяются величинами инструментальных и шумовых погрешностей измерений.

Одним из источников помех является взаимное влияние излучений других судовых систем. Подробней об этом влиянии сигналов друг на друга расскажем в следующей главе.

1.9 Авиационные применения спутниковых приемников в условиях помех

Спутниковые приемники в авиации используются совместно с другими средствами для управления полетом на маршруте, в терминальной зоне, при взлете и заходе на посадку воздушного судна (ВС), для обеспечения автоматического зависимого наблюдения (АЗН), а также при выполнении специальных задач. При этом определение воздушным судном (ВС) своих координат и скорости полета обеспечивается с помощью спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS (в будущем — Европейской системы ГАЛИЛЕО) и их дополнений в виде широкозонных дифференциальных подсистем (ДПС) WAAS, EGNOS, MSAS и локальных ДПС типа LAAS, а также автономных навигационных систем. Жизненная важность этих функций требует учета возможных нарушений. В частности, это могут быть помехи по радиоканалам: ГЛОНАСС/GPS, ГАЛИЛЕО, EGNOS, MSAS; передачи информации АЗН-В и ДПС LAAS в метровом диапазоне волн (примерно 108…138 МГц) для терминальных зон; приема и передачи данных по спутниковым линиям и в ДКМВ — диапазоне для решения задачи наблюдения в удаленных районах. Важно также учесть вероятные направления развития основных средств СРНС. Так, для GPS в предстоящее десятилетие предполагается: предоставление для гражданских потребителей частот 1227,6 МГц и 1176,45 МГц, причем на последней могут использоваться широкополосные сигналы с Fкодами; использование в дополнение к сигналам с Pи P (Y) — кодами новых широкополосных сигналов с Mкодами на частотах L1, L2 с вырезанным спектром в области обычных сигналов с C/Aкодами.

Источники помех Перечень возможных и наблюдаемых источников помех приведен в следующей таблице.

Таблица 1.1 — Перечень возможных помех

Отметим основные идентифицированные источники помех. Это помехи в полосе GPS, представляющие собой узкополосный сигнал типа немодулированной несущей на частоте 1575,42 МГц. Отмечалось влияние и сигнала на частоте 1533 МГц. В полосе L1 сигналов ГЛОНАСС действуют излучения средств подвижной спутниковой связи типа ГЛОБАЛСТАР и др. В полосе сигналов L2 ГЛОНАСС в Европе действуют сигналы любительских радиостанций «пакетного радио», любительские радиорелейные и телевизионные станции, а также РЛС УВД Германии.

Второй класс идентифицируемых источников помех — это внеполосные излучения типа гармоник (3-я гармоника частоты 525 МГц кристалла ДМЕ, 2-я гармоника 66 и 67 каналов ТВ, 3-я гармоника 22 и 23 каналов ТВ, 3-я гармоника частоты 157 МГц УКВ-связи, 12-я и 13-я гармоники частот 131 МГц и 121 МГц УКВ связи, в том числе от аварийной частоты 121,5 МГц. Необходимо также добавить рассматриваемые в последнее время источники сверхширокополосных сигналов /2/ с наносекундными импульсами, которые могут излучаться перспективными системами связи и определения дальности. Кроме того, сигналы с М-кодами GPS могут быть помехами при приеме сигналов с C/A-кодами.

Наблюдается также влияние неидентифицированных источников помех. Предположительно, как отмечалось в ряде работ, это могут быть излучения аэродромных радиосистем обеспечения полетов, а также другие средства. По донесениям пилотов Аэрофлота отмечается существование целых районов с повышенным уровнем помех (Петропавловск-на-Камчатке, Хорватия, Мальта и др.). Анализ материалов, публикуемых в открытой печати, также показывает, что на протяжении последних лет в США на постоянной основе проводятся широкомасштабные исследования воздействия радиопомех на аппаратуру потребителей (АП) системы GPS. В ходе этих исследований в интересах военных и гражданских потребителей решаются следующие основные задачи:

— определение реальной помехоустойчивости АП, разработка и оценка эффективности методов её повышения;

— оценка влияния рельефа местности на размеры зоны действия источников помех;

— совершенствование методов радиопротиводействия;

— отработка способов ограничения доступа к сигналам системы GPS.

Учитывая, что в наибольшей мере воздействие помех может сказываться на авиационных потребителях, Федеральная авиационная администрация США совместно с Навигационный центром Береговой охраны публикуют в Интернет специальные извещения для потребителей (в форме NOTAM). Даже выборочный анализ этих извещений позволяет сделать ряд интересных выводов.

Основные районы испытаний расположены в западной и юго-западной частях США и характеризуются сложным рельефом. Это позволяет оценить влияние естественных препятствий на дальность действия источников помех. В одном из докладов на конференции Института навигации США специалистами Отделения вооружений Центра воздушной борьбы ВМС США были рассмотрены особенности проведения подобных испытаний и приведен пример практического ограничения зоны действия мощного источника помех (эффективная излучаемая мощность 10 кВт) за счет использования горного рельефа и остронаправленной антенны. Испытания проводились на полигоне China Lake (штат Калифорния). Этот полигон расположен вблизи радионавигационной точки NID. Следует отметить, что на рис. 1 объявленная зона № 1 возможных помех, относящаяся к маю-сентябрю 1999 г., имеет форму круга радиусом 389 км. В других случаях такая зона имеет другие очертания и размеры (например, ромб, большая диагональ которого равна 780 км). Значительная часть зоны 1 захватывает территорию Мексики. Учитывая, что воздействие помех может полностью исключить возможность использования сигнала GPS над территорией сопредельного государства, возникает вопрос, осуществляется ли предварительное согласование таких испытаний с полномочными органами других государств или же решение об их проведении принимается США в одностороннем порядке.

Характерной чертой таких испытаний, является то, что излучение помех каждым из источников осуществляется координированно, в четко определенные отрезки времени. В NOTAM оговариваются конкретные дни и часы работы источников помех. Анализ этих расписаний работы показывает, что в подавляющем большинстве случаев время работы различных источников помех, зоны которых перекрываются, не совпадает.

Однако, наиболее неприятными могут оказаться преднамеренные помехи, создаваемые террористами и хулиганами. Эти помехи находятся в полосах средств рассматриваемых СРНС.

Проявление помех Проявление помех достаточно различно. Помехи даже небольшой мощности (от 0,1 до 10 Вт) приводят к поражению приемника при превышении порогового отношения шум/сигнал, которое для С/Акода равно 22 дБ (режим поиска) на удалениях в сотни км /3/. В этом случае после потери слежения в ходе эволютивного полета возобновить работу приемника не представится возможным.

Поднятый на воздушном шаре передатчик помех мощностью 0,5 Вт в состоянии поразить работу 10 основных аэропортов в районе штатов Массачусетс, Вермонт, Коннектикут, Нью-Хэмпшир. Там же приведены ориентировочные оценки облика возможного маломощного (на 10…100 мВт) источника шумовых помех с усилением антенны 3 дБ, полосой- 2 MГц, объемом менее 30 см³, временем существования 48 ч и стоимостью менее 150 $. Наиболее неприятными могли бы быть разбрасываемые источники помех такой мощности, поиск которых был бы серьезно затруднен.

Подробное исследование воздействия помех на приемник GPS Trimble 4000SST было осуществлено в Технологическом университете Квинсленда (Австралия) и описано в /5/. При этом выявлено, что помехи в основном приводили к ошибкам в определении изменений псевдодальностей и статистически могли характеризоваться белым шумом с нулевым средним значением и СКО, равным 4 м/с. Измерения фазы несущей воздействию помех не подвергались. Помехи приводили, в частности, к появлению больших высокочастотных ошибок по высоте (до 180 м) в течение интервалов времени до 6 с. При этом помехи влияли на прием сигналов всех наблюдавшихся НКА. На конференции GPS-99 доложены результаты исследования /6/ воздействия помехи типа немодулированной несущей и изменяющейся несущей на приемник GPS XR5-M (Navstar Syst.). Выявлено что в первом случае ошибки определения места достигали 12 км, а во 2-м случае- 220 м.

Борьба с помехами. Таким образом, налицо большая и сложная проблема, которая требует внимания и решения. На наш взгляд, здесь должно быть два уровня. На первом уровне наземного обеспечения полетов требуется создание специальной службы наземного централизованного мониторинга электромагнитной обстановки (ЭМО) в диапазонах СРНС. Такие подходы наметились в США и в Германии. Так, в США ФАА давно проводит широкую программу изучения влияния помех на приемники GPS, включающую испытания приемников, измерения уровней помех, мониторинг ЭМО и стандартизацию. Уровни помех задаются при определении требований и стандартизации облика приемников. Разрабатываются специальные методы и средства определения места источников помех. Так, в работах Стэнфордского и Иллинойского университетов создан интерферометрический пеленгатор для обеспечения работы системы посадки типа LAAS. Фирмой Navsys также создается распределенная система для обнаружения источников помех. Ее наблюдения передаются на главную станцию, которая и выносит окончательные решения о дальнейших действиях. Фирмами FALON и SPAWAR создан высокоточный пеленгатор передатчика помех, использующий методы интерферометрии на коротких базах/12/. В университете Штуттгарта (Германия) разрабатываются концепция и специальные станции мониторинга и контроля ЭМО, в частности, для обеспечения неточного захода на посадку. Используются методы спектрального анализа сигнала после предварительного усиления и преобразований.

Второй подход требует реализации средств защиты от помех в бортовой спутниковой аппаратуре. Это обусловлено тем, что наземные средства могут быть недостаточно надежными и оперативными. Он связан с существенным изменении ем взглядов на спутниковую аппаратуру как на нечто абсолютно надежное и «неподвижное» и предполагает:

создание блока анализа электромагнитной обстановки и использование внутренних обнаружителей помех;

создание специальных схем и алгоритмов подавления помех (фильтров, развязок, и т. д.);

использование алгоритмов сглаживания кодовых измерений с привлечением измерений фазы несущей;

использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых антенных систем, в том числе с «нулями» в направлении на помеху.

использование информации автономных и других систем на борту подвижных средств для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников СРНС;

определение навигационных параметров по данным автономных средств и СРНС в навигационном комплексе, и использование этих данных при решении всех задач.

К настоящему времени в мировой практике накапливается опыт решения указанных вопросов. Повышение помехоустойчивости достигается также за счет разумного синтеза радиочастотной части, устройств преобразования «аналог-цифра» и канальных алгоритмов (для вычисления отношения сигналшум, адаптивной регулировки порога при вхождении в режим слежения) Эти меры использованы при создании приемника GG-24 Magellan-Ashtech, удовлетворяющего высоким требованиям и рекомендациям RTCA и ARINC и обеспечивающего эффективное подавление сигналов систем САТКОМ и Иридиум. В последнее время появилось достаточно большое число публикаций по вопросу создания антенных систем военного и гражданского применения с синтезом «нулей» в направлении на помехи, а также ферритовых ограничителей мощности, использующих эффект генерации спиновых волн, при котором уровень помехи снижается на 25…30 дБ. Таким образом, эффективное использование спутниковых приемников в авиации требует:

систематических исследований влияния на аппаратуру СРНС потенциально опасных радиоэлектронных средств, таких, как радиорелейные линии, вторичные РЛС и др.;

проведения работ по созданию наземной системы мониторинга электромагнитной обстановки в диапазонах СРНС с использованием как специальных наземных и подвижных локализаторов источников помех, так и штатных приемников, средств оповещения потребителей, а также баз данных о помехах и результатах их воздействий;

придания приемникам следующего поколения адаптивных свойств, позволяющих использовать в соответствии с результатами анализа местной электромагнитной обстановки те или иные средства защиты от помех (заградительные фильтры, ограничители и подавители, средства бланкирования и др.);

создание нормативных документов, обеспечивающих ЭМС различных средств. Наконец, нельзя исключать возможности отказа от использования СРНС в какой-то сложной ситуации, например, при посадке. В этом случае придется рассчитывать на использование других систем (ILS, MLS), что соответствует корректировке позиции ФАА в отношении GPS, как единственного средства, и созданию интегрированного оборудования GPS/ILS/MLS.

1.10 Тестирование GPS/WAAS/ГЛОНАСС алгоритмов

При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов, требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. Сложность решаемых задач требует все более точного знания своих координат. Существует объективная потребность в совершенствовании навигационного обеспечения.

Навигационная спутниковая система GPS при отсутствии селективного доступа позволяет определить горизонтальное положение потребителя с точностью до 20 м, а система ГЛОНАСС — до 60 м [1−4]. Применение широкозонной дифференциальной системы WAAS и других аналогичных разрабатываемых систем (MSAS, Galileo) повышает точность навигации до нескольких метров [1, 5]. Используя спутниковые системы, потребитель проводит дальномерные и доплеровские измерения до навигационных спутников (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 — Определение координат авиационного потребителя при помощи навигационных спутников При разработке навигационных приемников требуется проводить всестороннее тестирование программного обеспечения, осуществлять оптимальный выбор параметров навигационных алгоритмов. С этой целью необходимо сформировать соответствующую методику отладки и тестирования алгоритмов, позволяющую всесторонне исследовать навигацию потребителя. И если для наземного потребителя не составляет особого труда повторить тот или иной тест, то для авиационного потребителя это сопряжено с большими экономическими затратами. Существует также еще один аспект. В процессе отладки программного обеспечения для поиска ошибки необходимо уметь повторять тест, приведший к ошибке. В этом случае можно легко найти программную ошибку. Причем необходимо уметь повторить всю последовательность исходных данных.

Методика тестирования навигационных алгоритмов Предлагаемая методика отладки и тестирования навигационных алгоритмов основывается на последовательном использовании следующих трех этапов тестирования. Данная методика предполагает применение специального программно-аппаратного комплекса, позволяющего проводить многократную отладку.

Первый этап тестирования — первоначальный — заключается в обычном имитационном моделировании с применением персонального компьютера. В качестве источника навигационной информации используется спутниковая система GPS. Орбитальная конфигурация системы, параметры ошибок измерений задаются в соответствии с рекомендациями Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA). Но этот способ тестирования носит, как правило, только приближенный, прикидочный характер. В частности, при таком тестировании не возникали различные вычислительные проблемы, связанные, в том числе с расходимостью фильтра Калмана в реальных условиях.

Второй этап тестирования предполагает использование реального навигационного приемника, а навигационные измерения формируются при помощи имитационного комплекса GPS/GLONASS Satellite Simulator, Ver.6.50. В этом случае антенный блок навигационного приемника заменяется специальным программно-аппаратным комплексом — имитатором навигационных сигналов. Данный комплекс включает широкие возможности по моделированию движения приемника, обладающего динамикой автомобиля, самолета или космического корабля и совершающего различные маневры. Другой способностью имитационного комплекса GPS/GLONASS Satellite Simulator является возможность моделировать сигналы системы WAAS. Применение подобного комплекса позволяет всесторонне протестировать GPS/WAAS/ГЛОНАСС навигационные алгоритмы в различных режимах.

На последнем, завершающем, этапе тестирование проводится в реальных условиях, то есть когда навигационная аппаратура принимает сигналы от спутниковых систем GPS/WAAS/ГЛОНАСС. Причем навигация авиационного потребителя осуществляется как для стационарного положения, так и при совершении тестовых полетов.

Как уже отмечалось, для отладки программного обеспечения, поиска всевозможных ошибок, оптимальной настройке параметров фильтра и т. д. необходимо иметь возможность многократно повторять решение навигационной задачи. И если при первом способе тестирования это не составляет особого труда — надо просто задать те же самые исходные данные, то в реальных условиях необходимо применять другой подход. Отчасти это справедливо и при использовании имитационного комплекса GPS/GLONASS Satellite Simulator, так как генерация измерительных шумов, как правило зависит от текущего времени.

Поэтому для тестирования навигационных алгоритмов был разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить многократную отладку. Этот комплекс позволяет сохранить, например, на жестком диске все данные измерений, эфемериды и т. д., полученные с антенного блока. В случае необходимости тест повторяется: все данные теперь поступают с жесткого диска. Блок-схемы программно-аппаратного комплекса тестирования навигационных алгоритмов представлены на рис. 1.11 и рис. 1.12

Рисунок 1.11- Блок-схема тестирования навигационных алгоритмов, режим записи сырых измерений Рисунок 1.12 — Блок-схема тестирования навигационных алгоритмов, режим повторного чтения сырых измерений Применение такого программно-аппаратного комплекса способа тестирования позволяет в случае возникновения каких-либо ошибок повторить тест и найти ошибку. Этот комплекс также дает возможность наилучшим образом подобрать настроечные параметры при использовании фильтра Калмана и устранить его расходимость. Данный подход всегда использовался при тестировании алгоритмов, использующих реальные спутниковые измерения. Объем памяти, занимаемой сырыми измерениями (необработанные данные, получаемые после антенного блока приемника) со спутников, зависит от времени тестирования и при длительном тестировании — например, двое-трое суток — мог достигать нескольких сотен мегабайт. Заметим, что тестирование в режиме повторного чтения данных происходит в 100 и больше раз быстрее, то есть навигационные данные, собранные, например, за сутки, повторно обрабатываются всего за несколько минут. Это связано с тем, что скорость поступления навигационных данных несравненно ниже скорости их обработки, поскольку современные навигационные приемники обладают высокими вычислительными мощностями. В этом случае самым «узким» местом являются каналы передачи данных, такие как локальная сеть или последовательные порты компьютера. Максимального быстродействия можно достигнуть при обработке данных, записанных на жесткий диск персонального компьютера.

Применение изложенной методики позволяет всесторонне протестировать не только программное обеспечение, то есть алгоритмическую часть, но и аппаратную часть навигационного приемника.

Тестирование навигационных алгоритмов при помощи имитационного моделирования.

Рассмотрим задачу имитационного моделирования применения навигационных алгоритмов для решения задачи местоопределения потребителя с использованием системы GPS [1,2,3,7]. Суть этой задачи заключается в математическом моделировании всего процесса спутниковой навигации: моделирования движения навигационных спутников и потребителя, моделирования измерений, вычисление эфемерид и, наконец, само определение положения потребителя при помощи тестируемых навигационных алгоритмов.

Важной проблемой при имитационном моделировании является корректное задание погрешностей измерения дальности и доплеровских измерений. При проведении имитационного моделирования обычно считают, что эти погрешности распределены по нормальному закону. Пример такого решения навигационной задачи для неподвижного потребителя приведен на рис. 4. В качестве оценки точности навигации использовалось радиальное отклонение от точного положения потребителя в 3-мерном пространстве или, иначе, расстояние между оценкой и истинным положением антенны приемника — Root-Sum-Square (RSS). Моделирование системы GPS и погрешности измерений осуществлялось в соответствии с рекомендациями RTCA. Система состоит из 24 спутников, орбиты круговые, большие полуоси равны 26 559 800 м, наклонение — 55O. Остальные орбитальные параметры спутников приведены в таблице 1.

Таблица 1.2 — Орбитальное построение системы GPS (1 декабря 1995 г. 00:00 GMT, GPS Week: 829, GPS Seconds: 432 000)

Данные имитационного моделирования, представленные на рис. 1.13, были получены в предположении, что погрешности дальномерных измерений распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и средним квадратическим отклонением равным 33 м:. Погрешности доплеровских измерений считались распределенными по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и средним квадратическим отклонением равным 0.28 м/с:. Время имитационного моделирования — 3000 с. Частота измерений — каждые 200 мс. Потребитель считался неподвижным. Ошибка определения положения потребителя на основе измерений нарастающего объема с использованием фильтра Калмана обозначена как R_EKF. Для сравнения приведена ошибка навигации на основе одномоментных измерений с использованием метода наименьших квадратов (МНК) — R_LSM.

Рисунок 1.13 — Имитационное моделирование, погрешности измерений распределены по нормальному закону Из данных на рис. 1.13 видим, что при имитационном моделировании если погрешности измерений распределены по нормальному закону,, то ошибка определения положения потребителя в пространстве на основе фильтра Калмана при моделировании не превышает 5 м. Навигационный алгоритм на основе МНК дает несколько худшую точность — в среднем ошибка навигации достигает около 15 м.

Иные результаты получаются в предположении, если в системе GPS используется селективный доступ. Наиболее распространенный способ моделирования погрешностей измерений, создаваемых SA — при помощи марковского процесса 2-го порядка [3, 5]. При имитации ошибок измерения дальностей до навигационных GPS спутников предполагалось, что эти ошибки описываются гаусс-марковским процессом 2-го порядка с автокорреляционным временем 118 секунд и средним квадратическим отклонением равным 23 м и случайной гауссовой величиной с нулевым математическим ожиданием и средним квадратическим отклонением равным 23 м [1]: .