Размещено на http://allbest.ru

Академия ФСО России

Методика определения координат источников несанкционированного излучения в системах спутниковой связи

Попов Вячеслав Васильевич, преподаватель

г. Орел

Проблема определения местоположения радиоэлектронных средств, осуществляющих несанкционированный доступ к ресурсу бортовых ретрансляционных комплексов (БРК) расположенных на космических аппаратах (КА), является весьма актуальной [1].

Противодействие несанкционированному вмешательству состоит в определении координат источников несанкционированного излучения (ИНИ) для предъявления различного рода санкций и (или) создания условий, обеспечивающих невозможность работы нелегитимных пользователей.

Задача определения местоположения объекта в общем случае может быть решена на основе использования методов радиолокации и (или) радиопеленгации [2].

Следует отметить, что задача определения координат ИНИ по ретранслированному сигналу имеет свои специфические особенности, отличные от обычных навигационных определений. К ним следует отнести:

1. Применение БРК на геостационарной орбите (ГСО) без обработки сигнала на борту.

2. Беззапросный, относительно земной станции спутниковой связи (ИНИ), характер измерений.

3. Канал спутниковой связи, состоящий из двух участков (линии "вверх" и линии "вниз").

4. Необходимость учета частотной нестабильности гетеродинов БРК.

5. Отсутствие априорной информации о местоположении земной станции спутниковой связи (ЗССС).

Учитывая малую применимость существующих подходов, значимость решения задачи определения местоположения ЗССС (ИНИ) и исходные условия задачи, необходима разработка новых методов и алгоритмов для её решения. несанкционированный космический спутниковый связь

В традиционном понимании, для определения местоположения некоторого объекта на поверхности земли необходимо иметь в пространстве как минимум две базы пеленгования (или три пункта), для которых рассчитывается параметр местоопределения - разность дальностей .

Размер базы от единиц до сотен километров, причем каждая база состоит из двух разнесенных приемников, измеряющих в качестве параметра поверхности положения задержку сигнала , принятого одним приемником по отношению к другому.

Для радиомониторинга ССС с МДЧР целесообразно использовать способ определения местоположения ЗС СС по фазовому сдвигу частоты, что требует модификации существующих вариантов разностно-дальномерного метода, заключающейся в разработке новых способов определения параметра местоположения - разности наклонных дальностей (дифференциальной дальности) от ЗССС (ИНИ) до БРК.

В случае использования разностно-дальномерного метода для систем с ретранслированным сигналом разностно-дальномерные базы можно образовать при одновременном использовании двух пар радионавигационных точек (РНТ) с нетождественными параметрами орбиты.

Но возможно также последовательные во времени положения одной РНТ рассматривать как различные пункты, образующие соответствующие базы.

В данном случае предлагается этими пунктами считать точки нахождения КА на орбите, по которой он осуществляет движение, в определенные моменты времени.

Процесс определения точек орбиты КА будем называть синтезированием пространственно-временных баз системы определения местоположения, а расстояние между крайними положениями пары точек его орбиты будем называть стереобазой разностно-дальномерных измерений.

Таким образом, непосредственному измерению подлежат разности расстояний.

Разность расстояний как навигационный параметр может измеряться непосредственно, но может быть получена на основе измерения производных параметров.

К сожалению, непосредственное измерение наклонной дальности от КА до ИНИ недоступно, поскольку пеленгуемая ЗССС эту процедуру не поддерживает.

Поэтому необходимо найти способ оценки дифференциальной дальности по параметрам несанкционированно излучаемого сигнала, исключающий саму необходимость активного участия искомой ЗССС (ИНИ) в этой процедуре.

С этой целью предлагается вариант фазового слежения за пеленгуемым сигналом, позволяющий не только улучшить точность и быстродействие разностно-дальномерных измерений, но и одновременно упростить технические средства пеленгации.

Данный метод базируется на том, что собственно сами наклонные дальности до пеленгуемой ЗССС не нужны и достаточно лишь оценить их разность в конечных точках и заданной или известной стереобазы ИСЗ.

При реализации модифицированного разностно-дальномерного (МРД) метода местоположение ИНИ соответствует точке пересечения двух гиперболических поверхностей, разность расстояний от каждой точки которых до двух фиксированных положений КА в пространстве в различные моменты времени постоянна.

В результате измерений характеристик ретранслированного сигнала ЗССС (задержки сигнала) для некоторых интервалов времени, характеризующихся различными пространственными координатами БРК, можно оценить лишь значения параметров местоопределения и , которые функционально связаны с координатами КА.

Для определения координат ИНИ измерительная информация должна обрабатываться по соответствующему алгоритму, составляющему содержание координатометрической задачи.

Естественно, что в системе радиомониторинга, где определяются координаты заранее неизвестных объектов, координатометрическая задача решается в условиях априорной неопределенности, что склоняет к применению конечных, неитеративных методов.

Уравнения, описывающие поверхности положения ИНИ при реализации МРД метода определения местоположения, не являются линейными, поэтому для решения координатометрической задачи целесообразно находить оценки координат ИНИ и затем, посредством итеративной процедуры, их уточнять.

Первоначальным этапом является выбор точек стереобаз из сводки архивных данных орбитальных параметров суточного полетного интервала космического аппарата.

При этом необходимо выбрать множество точек характерных стереобаз КА, отвечающих условию почти равных высот , км - для горизонтальных стереобаз (изменение позиции ИСЗ по долготе), а также аналогичных точек стереобаз для условия почти равных долгот , км - для вертикальных стереобаз (изменение позиции ИСЗ по широте). При выборе таких условий стереобазы взаимно ортогональны, что обеспечивает наивысшую точность пеленгации объекта.

На основании полученных координат крайних точек таких синтезированных стереобаз КA и и измеренной разности наклонных дальностей до пеленгуемой ЗССС из этих точек, можно построить проекцию ГПЛ на земной поверхности, на которой находится пеленгуемая станция.

Эти данные для двух или более стереобаз позволяют выявить местонахождение искомого объекта, если текущее пространственное положение спутника связи в моменты (точках) измерений будет точно известно в некоторой общей, например, геоцентрической системе координат.

Для определения дифференциальной наклонной дальности необходимо из сигнала пеленгуемой ЗССС (ИНИ), ретранслированного через спутник на ЗСР, извлечь регулярную временную последовательность , например, из его несущей или тактовой частоты передачи информации.

Зная хронирующую частоту , на ЗСР можно дискретно накопить и измерить временной интервал , требуемый для пробега сигнала пеленгуемой ЗС по трассе "Земля-борт-Земля" в точке стереобазы КА. Повторив эту процедуру для второй точки стереобазы КА и определив , можно найти разность наклонных дальностей:

, (1)

где - скорость света.

Поверхностью ГМТ с измеренной (постоянной) разностью наклонных дальностей пеленгуемого объекта до пары конечных точек и стереобазы КА является двуполостный гиперболоид (рис. 1).

Рисунок 1 - Поверхность положения при измерении разности дальностей -двухполостный гиперболоид

Стандартное (каноническое) уравнение двуполостного гиперболоида (ДГ) имеет вид:

. (2)

При этом разность расстояний от любой точки поверхности ДГ до его фокусов и постоянна:

. (3)

Асимптотический конус (вне поверхности) описывается уравнением:

, (4)

Сечением двуполостного гиперболоида плоскостью, параллельной двум прямолинейным образующим асимптотического конуса является гипербола (рис. 2).

Гипербола представляет собой геометрическое место точек на плоскости, разность текущих расстояний и которых до двух заданных точек (фокусов) и также постоянна.

. (5)

Стандартное (каноническое) уравнение гиперболы имеет вид:

. (6)

Рисунок 2 - Параметры гиперболы

Длина действительной оси гиперболы, т. е. расстояние между ее вершинами, равна . Мнимой осью называется главная ось, перпендикулярная к действительной оси и равная .

Точки и - фокусы гиперболы, а межфокусное расстояние равно . Отметим, что фокусами исходной гиперболы являются крайние точки стереобазы, т.е. и .

Таким образом, отрезок прямой между двумя точками нахождения ИСЗ на орбите в определенные моменты времени и совпадает с действительной осью гиперболоида.

При этом точки и лежат в фокусах образующей гиперболы, а измеренная разность наклонных дальностей до них есть длина действительной оси .

, (7)

. (8)

Все остальные параметры образующей гиперболы и двухполостного гиперболоида определяются канонически и, в частности:

. (9)

Аналогичны рассуждения и для крайних точек и второй синтезированной стереобазы КA:

, (10)

, (11)

. (12)

При расчетах Землю аппроксимируем сферой, описываемой уравнением:

, (13)

где - радиус Земли.

Таким образом, при реализации МРД метода определения координат ИНИ в геоцентрической системе координат необходимо решить систему уравнений:

(14)

где , , - координаты ИНИ; и - радиус-вектор КА в точках и соответственно; , , и , , - параметры первого и второго ДГ соответственно.

Соотношения (7-14) являются аналитической моделью МРД метода определения местоположения и позволяют найти первоначальную оценку координат ИНИ в геоцентрической системе координат.

Графическая интерпретация МРД метода представлена на рисунке 3. Точка пересечения проекций ГПЛ для ортогональных стереобаз в экваториальной (S1-S2) и меридиональной (S3-S4) плоскостях с подстилающей поверхностью является точкой местонахождения ИНИ. В качестве подстилающей поверхности может выступать поверхность земного геоида или проекция Земли на плоскость.

Рисунок 3 - Графическая интерпретация модифицированного разностно-дальномерного метода

Общий алгоритм расчета местоположения (расчета координат ИНИ) на основе МРД метода представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма расчета координат ИНИ на основе модифицированного разностно-дальномерного метода

Алгоритм расчета местоположения на основе МРД метода включает следующие этапы:

1. Задаются следующие исходные данные:

а) вектор параметров :

- радиус-вектор КА в различных точках траектории суточного полета , , где N - число точек стереобаз, используемых при расчетах;

- долгота КА в различных точках траектории суточного полета , ;

- широта КА в различных точках траектории суточного полета , .

б) константы:

- скорость света с;

- радиус Земли R..

2. Осуществляется определение линейных координат КА и точек стереобаз в геоцентрической прямоугольной системе координат. Производится расчет длин стереобаз.

3. Осуществляется расчет дифференциальных наклонных дальностей.

4. Производится расчет параметров ГМТ изодифференциальной дальности (расчет значений первой и второй поперечной, а также фокальных осей ДГ).

5. Осуществляется определение точек пересечения ГПЛ на поверхности Земли.

6. Производится расчет географических координат ИНИ.

На основании разработанного алгоритма было проведено моделирование дифференциальной пеленгации. Моделирование выполнено в среде Mathcad 2001 и подтверждает работоспособность идеи.

Таким образом, разработанный МРД метод и полученный на его основе алгоритм позволяют вычислить координаты ИНИ на подстилающей поверхности, а при необходимости и географические координаты источника несанкционированного излучения, работающего через БРК на КА, находящемся на ГСО.

Литература

1. Колюбакин, В. Конференция ГПКС в Дубне [Текст] / В. Колюбакин // Теле-Спутник. - 1999. -№5 (43).

2. Радиотехнические системы [Текст]: учебник для вузов по спец. «Радиотехника» / под ред. Казаринова Ю. М. - М.: Высшая школа, 1990. - 496 с.

Аннотация

Методика определения координат источников несанкционированного излучения в системах спутниковой связи. Попов В.В.

В статье представлена методика, основанная на методах радиоопределения и позволяющая определять местонахождение неавторизованных пользователей спутниковой связи.

Annotation

Coordinate determination method sources of unauthorized radiation in satellite communication systems. Popov V.V.

In article presented methodic based on radiodetermination methods and allows to define the site of not authorized users of satellite communication.

Размещено на Allbest.ru