Исследование электромагнитной совместимости спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дементьев Андрей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС С ОРБИТАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ РАДИОПОМЕХ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2011

Работа выполнена в Научно-производственном центре "ТЕХИНФОРМ" и государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ижевский государственный технический университет".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Хворенков Владимир Викторович, Ижевский государственный технический университет

Официальные оппоненты:

доктор технический наук, профессор Щесняк Сергей Степанович, Научный центр прикладной электродинамики г. Санкт-Петербург;

кандидат технических наук, доцент Хатбулин Равиль Анварович Ижевский государственный технический университет

Ведущая организация: Московское конструкторское бюро "КОМПАС", г. Москва

Защита состоится «30» июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 при Ижевском государственном техническом университете (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.7).

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ижевского государственного технического университета, с авторефератом - на сайте ИжГТУ: http://www.istu.ru/.

Автореферат разослан: "_23_" мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В.Н. Сяктерев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

космический радиопомехи радиоэлектронный навигационный

Актуальность темы. Спутниковые навигационные системы (СНС) являются информационными системами и требуют специальных мер защиты от возможных радиопомех. Поскольку радиоэлектронные средства (РЭС) космической системы ГЛОНАСС относятся к аппаратуре, обеспечивающей безопасность жизни людей, к ней предъявляются повышенные требования по надежности и безотказной работе, которые в ряде случаев могут достигать 0.99999.

Столь высокие требования обуславливают необходимость всестороннего исследования условий электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с радиоэлектронными средствами, функционирующими в общих и смежных диапазонах частот. Исследования предполагают рассмотрение как типовых, так и возможных непредвиденных сценариев помех.

За последние 50 лет на околоземную орбиту выведено по одним данным более 6000, по другим - более 12000 космических аппаратов (КА). Такое увеличение группировки повышает вероятность возрастания количества КА, подверженных аварийным сбоям, находящихся в не ориентируемом полете, не управляемых, не контролируемых, а также КА - космический мусор. При этом систематизация возможных технических сбоев радиоаппаратуры и неполадок в работе бортовых РЭС важна для обеспечения надежного функционирования РЭС ГЛОНАСС. Ранее такие задачи не были столь интересны, так как группировки КА были малочисленны.

Актуальность исследований состоит в определении взаимосвязей возникновения непреднамеренных радиопомех со стороны неконтролируемых КА на приемные устройства ГЛОНАСС, идентификации помехи с ее последующей нейтрализацией, с целью обеспечения беспомехового функционирования РЭС навигационной системы.

Данному направлению посвящены исследования, проводимые в МКБ "Компас", 4ЦНИИ МО РФ, "НИИР", НПФ "Гейзер". Проблематика освещалась в работах Абросимова И.А., Ионкина Е.Е., Баранова П.П., Бабенова А.Е., Веерпалу В.Э., Глушко В.И., Желтоногова И.В., Шишигина В.А.

Объектом исследований в диссертационной работе является РЭС навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, функционирующие в условиях непреднамеренных помех.

Предмет исследований - методы обеспечения электромагнитной совместимости РЭС в условиях непреднамеренных помех.

Целью работы является решение научной задачи разработки методологической основы для системного решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех и разработки на ее основе практических рекомендаций.

Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих исследовательских задач:

1) Обобщение исходных данных по проблемам электромагнитной совместимости (ЭМС) ГЛОНАСС в современных условиях, включая: а) анализ особенностей влияния современной электромагнитной обстановки на работу спутниковых навигационных радиосистем; б) систематизацию общих характеристик радиоканалов ГЛОНАСС; в) определение потенциальных орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

2) Разработка системы методик расчета ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, включая: а) критерии и методы обеспечения ЭМС РЭС; б) разработку обобщенного алгоритма идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех; в) систематизацию способов защиты частотных присвоений приемных устройств СНС ГЛОНАСС.

3) Разработка математического обеспечения расчетов ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, включая: а) математическую модель временного поведения орбитальных источников радиопомех; б) математическую модель описания радиолиний с орбитальными источниками помех; в) разработку алгоритмов идентификации неконтролируемых орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

4) Проведение системного анализа возможности обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, включая: а) систематизацию исходных тактико-технических данных РЭС ГЛОНАСС; б) выявление потенциальных радиоканалов непреднамеренных воздействий на РЭС ГЛОНАСС; в) определение параметров орбитальных источников радиопомех и моделирование сценариев воздействия; г) разработка вариантов обеспечения ЭМС с использованием технических средств защиты.

Научная новизна диссертационной работы:

1) Разработана методологическая основа системного решения проблем обеспечения ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

2) Сформирована система методик обеспечения ЭМС ГЛОНАСС с непреднамеренными и неконтролируемыми орбитальными источниками радиопомех.

3) Разработана комплексная математическая модель обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками радиопомех.

4) Синтезированы алгоритмы идентификации неконтролируемых орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

5) Разработаны практические рекомендации по обеспечению ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

Методы исследования. Основу решения поставленных задач составили методы системного анализа, теории электромагнитной совместимости, спутниковой радиосвязи, математического анализа, математического моделирования, радиофизики, теории передачи информации, теории радионавигации, теории движения космических аппаратов и другие.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью разработанных математических моделей, получением результатов в сертифицированных программных продуктов, достоверностью исходных данных, использованием методик и рекомендаций МСЭ, а также результатами исследований других авторов.

Работа носит прикладной характер и имеет техническую направленность. Ее практическая значимость состоит в следующем:

1) Проведенный системный анализ проблем ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех может быть использован для разработки и совершенствования методов и средств повышения надежности работы РЭС ГЛОНАСС.

2) Предложенные методики позволяют минимизировать перечень источников непреднамеренных радиопомех с целью обеспечения электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

3) Разработанное и систематизированное математическое обеспечение может быть использовано для создания программного модуля идентификации негеостационарных источников радиопомех.

4) Идентификация неконтролируемых орбитальных источников непреднамеренных радиопомех определяет способы защиты частотных присвоений РЭС ГЛОНАСС.

Апробация работы. Материалы диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Использование радиочастотного спектра и обеспечение ЭМС РЭС различного назначения: научно-методические и прикладные аспекты» (Воронеж, 2004), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь (RLNC)» (Воронеж, 2010), научно-технических конференциях в 4ЦНИИ МО РФ.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе: в изданиях согласно перечню ВАК - 3; в трудах международных научно-технических конференций - 1; в трудах российских научно-технических конференций - 6; в итоговых отчетах по НИР - 2.

Использование результатов диссертации. Результаты работы были использованы:

- в рамках подготовки предложений в Технические задания делегациям администраций связи России на собрания рабочих групп Исследовательских комиссий Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейской организации почт и электросвязи;

- при проведении переговоров между администрациями связи России и Китая по вопросам координации частотных присвоений РЭС.

- при выполнении опытно-конструкторских работ (ОКР) по разработке изделий в рамках федеральной космической программы: ОКР "Ресурс-ДК", "Русь", "КОРОНАС", "БИОН".

Результаты работ по ОКР подтверждены техническими актами, представленными в диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1) Концепция системного анализа повышения надежности функционирования РЭС ГЛОНАСС и обеспечения ЭМС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

2) Комплексная система методик обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

3) Комплексная математическая модель обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

4) Результаты системного анализа ЭМС ГЛОНАСС с потенциальными орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 149 наименований, и приложения. Работа содержит 37 рисунков, 26 таблиц. Объем работы составляет 188 страницы, включая приложение на 4 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, описание объекта и предмета исследования, во введении формулируется цель и задача диссертационной работы, определяются методы исследования, дается краткое содержание диссертации по главам, приведены основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих проблемных вопросов обеспечения электромагнитной совместимости спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС с РЭС различного назначения в текущих условиях электромагнитной обстановки. Для этого: 1) рассмотрены особенности современной электромагнитной обстановки в полосах частот ГЛОНАСС; 2) дана общая характеристика радиоканалов системы; 3) проведен анализ потенциальных источников непреднамеренных радиопомех.

Анализ интенсивности заявлений частотных присвоений РЭС зарубежных космических систем и комплексов в период с 2003 г. по 2011 г., функционирующих в общих и смежных диапазонах частот с ГЛОНАСС, показал увеличение количества зарубежных КА на 67%.

Многообразие глобальных, региональных и национальных спутниковых сетей в полосах частот ГЛОНАСС на геостационарных и негеостационарных орбитах, могут являться потенциальными источниками помех систематизированы в таблицах. Увеличение количества международных навигационных спутниковых систем также способствует ухудшению помеховой ситуации в полосах частот ГЛОНАСС. При этом систематизация эксплуатационных и технических параметров радиолиний ГЛОНАСС выявила множество каналов помех на РЭС системы.

В условиях плановой эксплуатации спутниковые системы существенных радиопомех не создают, при этом процесс эффективного использования радиочастотного спектра регулируется техническими нормами и регламентом радиосвязи МСЭ.

Непредвиденные технические сбои, неполадки в работе бортовой радиоаппаратуры, потери контролируемости радиоаппаратуры КА, могут приводить к помехам различного рода.

С целью реализации условий беспомехового функционирования РЭС ГЛОНАСС выделена область исследования: 1) формализована и произведена постановка задачи системного анализа обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с целью дальнейшего принятия управленческих решений на его основе; 2) определены критерии и показатели описания задач исследуемых процессов; 3) разработаны модели и алгоритмы решения задач обеспечения ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех; 4) разработаны методики идентификации источников внешних воздействий; 5) проведен теоретико-множественный анализ сложных систем, в рамках обеспечения ЭМС РЭС; 6) проведена визуализация исследуемых процессов на основе компьютерных методов ее обработки.

Основываясь на анализе объекта и предмета исследований, сформулирована диссертационная задача исследования.

Во второй главе разработана система методик обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, которая включает: а) систематизацию критериев и методов обеспечения ЭМС РЭС; б) разработку обобщенного алгоритма идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех; в) систематизацию способов защиты частотных присвоений ГЛОНАСС.

С целью определения возможности обеспечения помехозащищенности радиоканалов ГЛОНАСС, способы обеспечения разделены на две группы: 1) идентификация источников орбитальных радиопомех с последующим выбором организационно-технических мероприятий защиты РЭС; 2) повышение помехоустойчивости РЭС путем внесения конструкторских изменений в радиоаппаратуру.

Анализ традиционных методов расчета воздействий использовался при формировании направлений разработки методик идентификации источников помех. Для решения поставленной задачи выбраны показатели оценки ЭМС.

Исследование внешних и внутренних факторов "полезной" радиолинии и "мешающего" сигнала с учетом их систематизации, обеспечивает оптимальный выбор тактико-технических характеристик РЭС, позволяет определить и описать входные параметры моделирования помеховой ситуации.

Учитывая критерии оценки помех, внешние и внутренние факторы радиолинии, определены основные направления разработки методик идентификации источников непреднамеренных радиопомех, включающие: а) определение орбитальных характеристик КА; б) определение параметров принимаемых радиосигналов в) расчет энергетических потенциалов бортовых источников помех; г) оценку прогнозируемой помеховой обстановки в интересующих полосах частот.

Разработан обобщенный алгоритм идентификации негеостационарных источников помех и составлена система исходных данных (входных параметров). Это позволяет конкретизировать основные задачи по идентификации и выбору орбитальных источников радиопомех для обеспечения РЭС спутниковой сети ГЛОНАСС.

На основе разработанных алгоритмов, с учетом входных параметров радиолинии, разработана структурная схема принятия решений по радиочастотному обеспечению спутниковой системы ГЛОНАСС. Эффективность выполнения указанных мероприятий зависит от ряда факторов, включая: 1) количественный состав приемных земных станций; 2) возможные сценарии воздействия помех; 3) характеристики мест размещения приемных устройств.

Для выбора эффективных способов защиты - принятия решений по защите РЭС были систематизированы возможные радиопомехи и способы защиты от них, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 Систематизация радиопомех и способов защиты

Характеристики защищенности приемной Земной станции	Свойства характеристики защищенности приемной Земной станции
Тип непреднамеренных помех, от которых производится защита	Искажающие
	Блокирующие
	Маскирующие
	Дезинформирующие
Характеристики непреднамеренных помех	Энергетические
	Пространственно-поляризационные
	Частотно-фазовые
	Временные
Методы получения информации о типах и характеристиках непреднамеренных помех	Априорные
	Расчетно-аналитические
	Посредствам мониторинга
	Информационно-алгоритмические
Группы способов защиты	Процедурные
	Административные
	Научно-методические
	Технические
Структурные элементы радиолиний в которых реализуются способы защиты	Передатчик («полезный»)
	Приемник («полезный»)
	Передатчик («мешающий»)
	Приемник («мешающий»)
Цель реализации защиты	Увеличение эквивалентной шумовой температуры приемной системы
	Снижение мощности шума
	Повышение достоверности принятых сообщений
	Увеличение энергетического отношения сигнал/помеха
Параметры, по которым обеспечивается выделение сигнала на фоне непреднамеренной помехи	Энергетические
	Пространственно-поляризационные
	Частотно-фазовые
	Временные
Методы контроля эффективности способов защиты	Расчетно-теоретические
	По измерению помехового сигнала
	По качеству приема информации
	Информационные

Выбор степени защиты РЭС проводился посредством морфологического метода, в рамках его была сформирована и проанализирована матрица элементов "морфологического ящика" для определения конкретного способа обеспечения защиты приемных устройств ГЛОНАСС и обеспечения электромагнитной совместимости РЭС "полезной" и "мешающей" станций. Группы способов защиты частотных присвоений подробно рассмотрены и классифицированы.

В качестве обобщенного показателя оценки эффективности выбора способа защиты была определена вероятность доведения информации до приемных станций в зависимости от выбранных способов защиты.

В результате предложена структурная схема принятия решений по проблемам радиочастотного обеспечения спутниковых систем. Подробно рассмотрены и систематизированы способы защиты частотных присвоений, что позволяет приступить к разработке математического аппарата для реализации методического обеспечения.

Третья глава посвящена разработке комплексной математической модели оценки возможности обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками радиопомех. Данная модель включает: а) математическую модель временного поведения орбитальных источников радиопомех; б) математическую модель описания радиолиний; в) алгоритм идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех.

На основе системы пространственного движения КА, а также с учетом ограничений, накладываемые практикой применения КА, определены орбиты движения КА, Далее орбиты отнесены к различным классам орбит, применяемым в настоящее время. Математическая модель временного поведения источников радиопомех предназначена для определения следующих орбитальных характеристик помехового сигнала: 1) высота орбиты; 2) угол наклонения орбиты; 3) долгота орбиты. При этом характеристики высоты определяют тип используемой орбиты, а углы наклонения и долготы - плоскость орбиты. В дальнейшем полученные характеристики используются для решения задачи идентификации КА.

Построение математической модели временного поведения источников непреднамеренных помех на негеостационарных орбитах включает выбор системы координат, задание плоскости орбиты и получение уравнений движения КА по орбите. Пространственное расположение орбиты источника радиопомехи задается в геоцентрической экваториальной системе координат эйлеровыми углами: Щ (долгота восходящего узла орбиты), i (наклонение орбиты), щ (аргумент широты перигея).

При анализе сценария одновременного присутствия нескольких источников непреднамеренных помех (КА) на негеостационарных орбитах, результирующая математическая модель записывается в геоцентрической экваториальной системе координат:

_А + Х_А/R_A³=0, _А + Y_А/R_A³=0, _А + Z_А/R_A³=0,

R_A(t) = Х_А(t) Х_А⁰ + Y_А(t) Y_А⁰ + Z_А(t) Z_А⁰ , R_A²= Х_А² + Y_А² + Z_А².

При моделировании движения одиночных источников радиопомех на КА применяется переход к собственным орбитальным системам координат ОX_КАY_КАZ_КА с плоскостями орбит X_КАY_КА. Их положение относительно абсолютной экваториальной ОX_АY_АZ_А описывается углами наклонения i_КА и долготы ж_КА. В этом случае используются уравнения:

_КА + Х_КА/R_КА³=0, _КА + Y_КА/R_КА³=0

R_КА²= Х_КА² + Y_КА² , Z_КА=0.

Задание начальной скорости в точке перигея определяет характер орбиты: круговая (для большинства КА), эллиптическая (орбиты КА без отрыва) или гиперболическая (орбиты КА с отрывом).

Для частного случая, при идентификации положения радиопомехи на квазикруговой орбите, используются зависимости:

Х_КА(t) = R_КА соs(_КА), Y _КА(t) = R_КА sin(_КА),

_КА(t) = const + _КАt, _КА = (/R_КА³)^1/2, R_КА = R_З + h_КА ,

где R_З = 6378 км - средний радиус Земли, h_КА - высота орбиты КА.

Математическая модель временного поведения орбитальных источников радиопомех позволяет определить расстояние между источником помех и приемной станцией и его изменение во времени. Это используется далее в математической модели описания радиолиний.

В модели радиолиний для расчета уровня помех от каждого передатчика космической станции мешающей системы в конкретный момент времени используется:

I=Ps+Gs+Ge-20log(d)-20log(f)-32.45-Дp (дБ)

где: I Р_прм; P_S - средняя плотность мощности сигнала (дБВт); d R_ка=R_З+h_КА - наклонная дальность между рассматриваемым мешающим передатчиком и приемником навигационной аппаратуры потребителей (НАП), для которого производится оценка помех (км); G_S - усиление антенны рассматриваемой мешающей космической системы (КС) в направлении приемника, для которого производится оценка помех (дБ); G_E - усиление антенны приемника (дБ); f - частота (МГц); _P b - потери за счет частотной избирательности приемников, (дБ).

В качестве критерия допустимых помех для системы ГЛОНАСС средней (СТ) и высокой (ВТ) точности приняты уровни:

(минус) 143дБВт для СТ; (минус) 133дБВт для ВТ в диапазоне 1.6 ГГц

(минус) 145 дБВт для СТ; (минус)135дБВт для ВТ в диапазоне 1.2 ГГц.

В качестве критерия допустимых помех для приемных устройств зарубежных систем СНС во всех диапазонах частот принимаются уровни, указанные в Рекомендации МСЭ-Р М.1477.

Для расчета отношения «сигнал/шум» используется:

C/N=Ps+Gs+Ge-Ld+228.6-10lgTe-10lgdf_D (дБ)

где: (C/N)- отношение сигнал/шум на входе приемной земной станции (ЗС), дБ; L_D - затухание сигнала в свободном пространстве на расстоянии D; P_s - общая пиковая мощность передающей КС, дБВт; F_D - несущая частота, МГц; df_D - ширина полосы сигнала, Гц; T_е - шумовая температура приемной системы ЗС, G_s - усиление передающей антенны космической станции (КС), дБ; G_Е - усиление приемной антенны ЗС, дБ.

На основе математической модели движения источника помех по орбите, посредством описания энергетики полезной и мешающей радиолинии получены результаты оценки помехового воздействия на навигационные приемники при различных углах прихода "мешающего" космического аппарата, что позволяет сравнить полученные значения с измеренными характеристиками помех на входе приемных устройств и определить правильность выбора помеховой станции.

Исходной информацией для разработки алгоритма идентификации негеостационарных орбитальных источников помех является временное поведение принимаемого панорамным приемником электромагнитного сигнала в широкой полосе частот S(f,t).

Последовательность идентификации параметров орбитальной радиопомехи формализуется в виде алгоритма:

1) определение высоты орбиты;

2) расчет орбитального движения;

3) оценка расстояния до "мешающего" КА;

4) идентификация параметров мешающего сигнала.

В качестве наиболее наглядного метода рассмотрен подход, основанный на спектральном анализе помехового сигнала Sп(ft). В этом методе исследуемый спектральный диапазон f разбивается на поддиапазоны f: f = f. (В минимальном составе они повторяют полосы сигналов от навигационных спутников ГЛОНАСС). В результате сигнал S_П(f,t) преобразуется в систему временных сигналов мощности на разных частотах:

S_П(f,t) = {Pf(t)}

Далее сигналы Pf(t) подвергаются преобразованию Фурье во временной области, и выявляется их периодичность на частотах периодического движения орбитального источника помехового воздействия относительно наземной контрольной радиоаппаратуры.

По наблюдаемым доминирующим гармоникам определяется период появления непреднамеренной помехи:

T_f = 2 /_f

При расчете орбитального движения "мешающего" космического аппарата учитывается как собственное орбитальное движение КА в инерциальной системе координат, так и суточное вращение места расположения радиоприемника.

Измерения следящей узконаправленной антенной углов азимута и высоты, а также их скоростей и ускорений позволяет не только уточнить высоту орбиты "мешающего", но и определить направление на нее. Это необходимо для вычисления расстояния до орбитального источника помехового воздействия, на основании которого идентифицируется мощность мешающего радиопередатчика.

При описании движения одиночных источников радиопомех на КА удобнее вводить собственные орбитальные системы координат. Для описания перемещения в пространстве места установки радиоприемной антенны, использовалась экваториальная система координат.

Кроме расчета функций изменения углов азимута и высоты, часто требуются оценки их угловых скоростей. Для этого использовались формулы численного дифференцирования.

На основе зависимостей, представленных в работе, решается обратная задача: по измеренным временным зависимостям углов азимута и высоты восстанавливается орбитальное движение источника помехового воздействия (включая плоскость орбиты мешающего КА).

Заметим, что орбитальное движение мешающего КА определялось через измерение углов следящей узконаправленной антенны. Если такая антенна отсутствует, то плоскость орбиты можно попробовать идентифицировать при условии определения высоты орбиты с помощью нескольких ненаправленных, пространственно разнесенных приемников радиомониторинга.

Идентификация расстояния до мешающего КА проводится по средствам определения координат земного приемника и идентификации координат орбитальной помехи в системе координат Земли:

R²=(Х_С - Х_П ) ² + (Y_С - Y_П ) ² +( Z_С - Z_П ) ²

Орбитальное положение радиопомехи позволяет определить положение его луча в диаграмме направленности наземного приемника. Расстояние R позволяет оценить мощность ее радиопередатчика по известным формулам:

Р_прм = P_s G_s G_Е ( /4R)² / b .

ЭИИМ_прд = P_s G_s = Р_прм b (4R)² / (G_Е ² )

где: ЭИИМ_прд - эффективная изотропно-излучаемая мощность передатчика; (P_прм) - общая мощность приемника отношение сигнал/шум на входе приемной земной станции (ЗС), Ps - общая пиковая мощность передающей космической станции, дБВт G_S - усиление антенны рассматриваемой мешающей КС в направление приемника, для которого производится оценка помех (дБ); G_E - усиление антенны приемника НАП (дБ), b = b_s b_прм - коэффициент суммарных потерь; R - Расстояние от источника помех до приемника.

Таким образом, в ходе исследований разработана комплексная методика идентификации параметров мешающего КА, которая позволяет решить задачу поиска источника помех из многообразия спутниковых систем и неконтролируемых объектов, использующих различные орбиты и группировки. На этой основе разрабатываются необходимые организационно-технические мероприятия по устранению помех и обеспечения беспомехового функционирования спутниковой системы ГЛОНАСС.

В четвертой главе проводится анализ электромагнитной совместимости ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, предусматривающий: 1) расширенную систематизацию исходных данных по РЭС ГЛОНАСС; 2) определение потенциальных радиоканалов непреднамеренных помех на приемные станции ГЛОНАСС; 3) моделирование отдельных сценариев взаимодействия космических и земных станций; 4) разработку и использование радиочастотного фильтра для обеспечение ЭМС РЭС ГЛОНАСС в определенной практической ситуации.

Для конкретизации условий воздействия непреднамеренных помех проведена расширенная систематизация исходных данных по РЭС ГЛОНАСС и построены соответствующие таблицы. В таблицах представлены радиотехнические характеристике приемно-передающих устройств космических станций системы ГЛОНАСС, включая подробные параметры радиоприемника и антенны. Систематизированы типы приемной аппаратуры и дана их характеристика. Составлена таблица радиотехнических характеристик бортовой аппаратуры межспутниковых измерений.

Для определения возможных каналов помехового воздействия проведен структурный анализ потенциальных радиоканалов непреднамеренных помех на приемные станции ГЛОНАСС. Исходная структурная схема радиолиний ГЛОНАСС представлена на Рисунке 1. В системе ГЛОНАСС выделены 16 разнотипных радиолиний со следующим распределением по пяти частотным диапазонам: 7 радиолиний - диапазон L1 (1.6 ГГц с шагом 0.5625 МГц); 6 радиолинии - диапазон L2 (1.25 ГГц с шагом 0.4375 МГц); 1 радиолиния - диапазон L3 (1.1 ГГц с шагом 0.423 МГц); 1 радиолиния - диапазон L4; 1 радиолиния - диапазон L5.

По признаку размещения приемопередатчиков радиолинии распределены в соотношении: 4 радиолинии - (КА ГЛОНАСС - подвижная ЗС); 4 радиолинии - (КА ГЛОНАСС - КА НГСО); 1 радиолиния - (КА ГЛОНАСС - КА ГСО); 4 радиолинии - (КА ГЛОНАСС - базовая ЗС); 1 радиолиния - (КА ГЛОНАСС - ЗС КИС); 1 радиолиния - (ЗС КИС ГЛОНАСС - КА ГЛОНАСС); 1 радиолиния - (КА ГЛОНАСС - КА ГЛОНАСС). Перечисленные радиолинии систематизированы в таблицах и на схемах. Показано, что возможное количество потенциальных каналов непреднамеренных помех со стороны РЭС различных радиослужб на радиолинии ГЛОНАСС равно 52 (пятидесяти двум), а со стороны РЭС ГЛОНАСС можно ожидать возникновения 19-ти каналов непреднамеренных помех на РЭС других радиослужб.

Рисунок 1 Структурная схема радиолиний в ГЛОНАСС

Представленная структурная схема влияния радиопомех на ГЛОНАСС позволяет: 1) оперативно определить число и тип радиолиний и каналов непреднамеренных помех, характерных для конкретной ситуации; 2) провести целенаправленно выборку исходных данных (технических характеристик), необходимых для расчетов ЭМС РЭС; 3) разработать методики (модели), позволяющие в динамике учитывать пространственный разнос взаимодействующих РЭС и изменение коэффициентов направленного действия антенн.

При проведении системного анализа орбитальных источников радиопомех в качестве источников информации для получения сведений об орбитальных группировках космических аппаратов НГСО и ГСО использовались веб-сайты операторов и производителей спутниковых аппаратов, а также результаты измерений электромагнитной обстановки и мониторинга движения КА. Целью исследований являлась частотная систематизация потенциальных орбитальных источников радиопомех для ГЛОНАСС (с учетом ее радиолиний: 1.25 ГГц, 1.6 ГГц, 2.2 ГГц, 3.4 ГГц, 5.7 ГГц, и в перспективе 1.2 ГГц).

Приведены результаты систематизации для НГСО и ГСО спутниковых сетей в диапазонах UHF (30-1000 МГц), L (1-2 ГГц), С (6/4 ГГц), Х (8/7 ГГц). В UHF - диапазоне выявлено наименьшее количество действующих сетей, так как в нем функционируют в основном сети Министерств обороны иностранных государств. Среди КА этого диапазона отметим следующие: COMSATBw-1, UFO, Sicral, MARISAT 2, SKYNET. В L - диапазоне были выявлены более 1000 КА (радиолиний) в действующих спутниковых сетях. Основными позициями на ГСО, в которых зафиксированы сети L-диапазона, являются 45Е, 128Е, 49Е, 35Е. К спутниковым сетям L-диапазона относятся: Aussat, INMARSAT, Garuda, Thuraya, ICO. В C - диапазоне были выявлены около 7000 КА (радиолиний) в действующих спутниковых сетях. К сетям данного диапазона относятся: NSS, TDRS, TELECOM, GALAXY, AMC, SATCOM, Brasilsat, AMAZONAS и другие. В Х - диапазоне были выявлены около 80 КА (радиолиний). Примерами таких спутниковых сетей являются: BADR, DSCS III, SATCOM 2, SPAINSAT, XTAR-EUR, A3. В Ka - диапазоне были выявлены более 300 КА (радиолиний). К КА данного диапазона относятся: NILESAT, HISPASAT ASTRA, EUTELSAT.

В результате проведенного анализа характеристик рассмотренных спутниковых сетей сделаны следующие выводы: 1) характеристики передатчиков и приемников спутниковых сетей близки по номиналу (расхождения в энергетики радиолиний составляют 5-6 дБ); 2) результаты расчетов электромагнитной совместимости с ними зависят от точки стояния на ГСО (от удаления до приемника); в) проблема обеспечения ЭМС усложняется большой плотностью заявления зарубежных спутниковых сетей.

В дополнение к системному анализу потенциальных источников помех проведено моделирование взаимодействия низкоорбитальных и среднеорбитальных группировок с наземными станциями для случаев наблюдения одного помехового воздействия четырьмя станциями, нескольких радиопомех двумя наземными станциями и других. Результаты представлены в виде визуализаций сложных процессов электромагнитного взаимодействия, а также сопровождающих их графиков.

Более подробный анализ типовых технических характеристик потенциальных орбитальных источников радиопомех был проведен на примерах низкоорбитальных систем Российской Федерации: «КОРОНАС-Ф», «Ресурс-ДК1», «Монитор» с высотами ~500 км. На основе систематизированных характеристик выполнен энергетический расчет для разных углов места.

Рисунок 2 Структурная схема радиолиний в ГЛОНАСС

Таким образом, приведенная характеристика потенциальных орбитальных источников радиопомех и моделирование сценариев их действия на наземные станции показали многочисленность возможных помех в непредвиденных ситуациях и типовые значения их параметров.

В рамках практической реализации обеспечения беспомехового функционирования системы ГЛОНАСС исследована эффективность использования радиочастотного фильтра для улучшения ЭМС навигационного сигнала с конкретной помехой. Синтезирован радиочастотный фильтр, ослабляющий действие радиопомехи со стороны телеметрического канала передачи данных.

Для реальных параметров помехового сигнала и приемного устройства ГЛОНАСС был рассчитан коэффициент запаса ЭМС, показанный на Рисунке 2.

По данным расчетно-аналитической оценки ЭМС РЭС изготовлен и исследован реальный имитационный макет радиочастотного фильтра. В результате его установки удалось восстановить электромагнитную совместимость РЭС путем ослабления сигнала помехи на 30 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы:

1) Разработана концепция обеспечения электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

2) Предложена комплексная система методик обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с источниками непреднамеренных помех, которая позволяет определить их орбитальные, частотные, энергетические характеристики, и выбрать рациональные пути управляемого воздействия на помеховую ситуацию.

3) Синтезирована комплексная математическая модель обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с источниками непреднамеренных радиопомех, ориентированная на решение задачи идентификации источника радиопомех и его тактико-технические характеристики.

4) Разработан алгоритм взаимосвязанных решений по определению организационно-технических процедур, позволяющих обеспечить ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми источниками помех.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- разработанные методики позволяют определить источники радиопомех и выработать организационно-технические мероприятия по защите навигационной аппаратуры. Так для ГЛОНАСС определено возможное количество потенциальных каналов непреднамеренных помех со стороны РЭС различных радиослужб, которое оценивается в 52 канала помех. Со стороны РЭС ГЛОНАСС можно ожидать возникновения 19-ти каналов непреднамеренных помех на РЭС других космических систем

- разработанный радиочастотный фильтр позволил обеспечить энергетический запас радиолинии на 25% и улучшил показатели ЭМС навигационного канала на 30 дБ при решении задачи обеспечения электромагнитной совместимости телеметрических РЭС и навигационной аппаратуры потребителей на изделии, разработанном в рамках опытно-конструкторской работы "Реусурс-ДК".

СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК

1. Дементьев А.Н. Систематизация потенциальных каналов непреднамеренных помех на приемные станции спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС. // Интеллектуальные системы в производстве, 2010, № 2 (16), С. 113 - 120.

2. Дементьев А.Н., Шишаков К.В. Систематизация радиотехнических условий для анализа потенциальных каналов непреднамеренных помех в системе ГЛОНАСС. // Вестник ИжГТУ, 2010, № 2 (46), С. 93 - 96.

3. Дементьев А.Н., Шишаков К.В. Разработка алгоритмов идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех. // Интеллектуальные системы в производстве, 2010, № 2 (16), С. 121 - 131.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Дементьев А.Н. Бабенов А.Е. Зорин В.В. Кряжев М.Ю. «Предложения по защите частотных присвоений РЭС РВСН в радиочастотных органах РФ». // Отчет по НИР "Раунд-142", 1998 г. с. 78-83.

5. Дементьев А.Н. Шишигин В.А. «Основные принципы каталогизации методик и баз данных для решения задач распределения и использования и защиты частотного ресурса РЭС космического назначения» // «Космос на страже родины», первые научные чтения по военной космонавтике памяти М.К. Тихонравова «КОСМО», г. Москва, 2001 г.;

6. Дементьев А.Н. Кряжев М.Ю. Бабенов А.Е. «Определение номенклатуры РЭС систем и комплексов КВ, чьи частотные присвоения подлежат МПЗ» Отчет по НИР "Ринг-14", 1998 г. с. 45-79.

7. Дементьев А.Н., Веерпалу В.Э., Мысев М.В. «Проблемные вопросы реализации радиочастотной политики в области создания космических систем и комплексов военного (двойного назначения)» // «Использование радиочастотного спектра и обеспечение ЭМС РЭС различного назначения: научно-методические и прикладные аспекты» 5ЦНИИИ, г. Воронеж, 2003 г.;

8. Дементьев А.Н., Веерпалу В.Э., Мысев М.В. «Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств военного (двойного назначения) в приграничных районах // «Использование радиочастотного спектра и обеспечение ЭМС РЭС различного назначения: научно-методические и прикладные аспекты» 5ЦНИИИ, г. Воронеж, 2003 г.;

9. Дементьев А.Н., Мысев М.В. «О проблеме радиочастотного обеспечения средств выведения космических аппаратов предусмотренных федеральной космической программой России до 2005 года». // «Использование радиочастотного спектра и обеспечение ЭМС РЭС различного назначения: научно-методические и прикладные аспекты» 5ЦНИИИ, г. Воронеж, 2003 г.

10. Дементьев А.Н. , Желтоногов И.В. "Применение процедур Регламента радиосвязи в отношении систем РНСС. Проблемы международно-правовой защиты частотных присвоений системы «ГЛОНАСС»» ». // «Использование радиочастотного спектра и обеспечение ЭМС РЭС различного назначения: научно-методические и прикладные аспекты» 5ЦНИИИ, г. Воронеж, 2003 г.

11. Дементьев А.Н., Мысев М.В. О потребности в частотном ресурсе средств выведения космических аппаратов «Актуальные вопросы повышения эффективности использования национального радиочастотного ресурса», Национальная радиоассоциация, 2004 год.

12. Дементьев А.Н. Системный анализ проблем обеспечения защиты частотных присвоений приемных радиоустройств космических систем от непреднамеренных воздействий со стороны бортовых радиоисточников помех. // Труды XVI Международной НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж 13 - 15 апреля 2010 г. - Т.3. - С. 2310 - 2317.

Размещено на Allbest.ru

...