автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Определение координат источников сигналов в системах спутниковой связи

На правах рукописи

СУХОТИН Виталий Владимирович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2003

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Панько Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Сомов Виктор Григорьевич, кандидат технических наук, доцент Черников Дмитрий Юрьевич

)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», г. Красноярск

Защита состоится « 4 » декабря 2003 г. в 16:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.098.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. акад. Киренского, 26, ауд. Б -121

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 30 » октября 2003 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.098.02 кандидат технических наук, доцент

Ю.П. Саломатов

¿ооЗ -Д

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Системы передачи информации с использованием Искусственных Спутников Земли (ИСЗ) получили широкое распространение во многих

системах передается речевой трафик в режиме один канал на несущую с уплотнением или без него. В последнее десятилетие спутниковые коммуникации все в большей степени используются в качестве сегмента компьютерных сетей в виде интегрированной структуры передачи компьютерных данных и речевых сообщений при различных методах распределения ресурса.

В простейшем варианте телекоммуникационная система содержит одну или несколько Земных Станций (ЗС) и активный ретранслятор, расположенный на борту ИСЗ. Наиболее распространены системы связи с использованием геостационарных или низкоорбитальных

Спутниковые системы связи охватывают значительные по площади территории. Например, сигнал ретранслятора, работающего в диапазоне С и размещенного на борту ИСЗ, зафиксированного на геостационарной орбите (ГСО) в точке стояния 103 град. вост. долготы, покрывает территорию от Москвы до Камчатки и от Таймыра до Бомбея, включая всю Юго-Восточную Азию и Японию.

При анализе и расчете помехоустойчивости таких систем обычно исходят из условия наличия естественных шумовых составляющих в виде белого широкополосного Гауссова шума с равномерной спектральной плотностью в пределах полосы пропускания радиочастотного тракта Борьба с умышленными помехами в системах спутниковой связи в широкодоступной литературе не рассматривается.

Аппаратура ЗС и ретранслятора коммуникационных широковещательных ИСЗ не содержит средств борьбы с умышленными помехами. Эта проблема является классической для наземных средств связи - как с точки зрения радиоразведки, так и радиопротиводействия. Для них отработаны методы и технологии, разработаны и выпускаются серийно специальные средства, ведется регулярная работа, создана система подготовки специалистов. Совершенно по иному обстоят дела в спутниковых коммуникациях. Постановщик помехи, которой в данном случае является сигнал нелегитимного пользователя («пирата»), может располагаться в любой точке участка поверхности Земли, в пределах зоны радиовидимости ИСЗ. Отсюда след\ет. что проблема определения координат постановщика помех, как самостоятельная часть основной проблемы защиты спутниковых коммуникациях от постороннего вм 1ьной.

странах в государственных, гражданских и пр. приложениях. В основном, в таких

ИСЗ.

Борьба с несанкционированным вмешательством состоит в определении координат неизвестного передатчика для предъявления различного рода санкций, и/или создании условий, обеспечивающих невозможность работы пиратов. Для большей общности научных исследований, в диссертации рассмотрено определение координат источников сигналов (ИС), а не только неизвестного передатчика.

Целью работы является исследование и разработка методов определения координат ИС в системах связи с ИСЗ, расположенном на геостационарной орбите.

Данная пель достигается решением следующих задач:

1. Разработка основ Доплеровского и фазового метода определения координат ИС с размещением и без размещения на борту ИСЗ антенной решетки.

2. Анализ источников погрешностей, оценка и сопоставление точностных характеристик разработанных методов определения координат ИС в системах спутниковой связи.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы основы общей теории фазовой радиопеленгации, элементы аналитической геометрии, элементы линейной алгебры, статистическая теория погрешностей измерения, основные законы движения ИСЗ.

На защиту выносится.

1. Фазовая методика определения координат ИС при размещении антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО.

2. Доплеровская и фазовая методики определения координат ИС, основанные на эволюции положения ИСЗ на ГСО в пределах суточной траектории.

3. Применение фазовой методики определения координат ИС для существующих поколений коммуникационных ИСЗ на ГСО возможно только с использованием виртуальной антенной решетки (ВАР).

4. Методические и статистические характеристики погрешностей определения координат ИС зависят от расположения ИС относительно подспутниковой точки.

Научная новизна.

1. Разработаны и обоснованы методики определения координат ИС с использованием одного ИСЗ на ГСО.

2. ■ Основы общей теории фазовой радиопеленгации распространены на случай виртуальной антенной решетки.

3. Предложено и обосновано использование участков траектории с одинаковой скоростью, возмущённого движения ИСЗ на ГСО, но различным направлением движения для увеличения точности определения координат ИС.

4. Обосновано исключение влияния медленно меняющейся переменной составляющей фазы сигнала, вызванной движением ИСЗ на ГСО, в пределах измерительного цикла.

Практическая и научная ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработанная фазовая методика с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО позволяет определять координаты ИС с высокой точностью, используя один ИСЗ на ГСО.

2. Разработанные Доплеровская методика и фазовая методика с ВАР позволяют определять координаты ИС без доработки бортовой аппаратуры ИСЗ на ГСО.

3. Исключение медленно меняющейся переменной составляющей фазовой компоненты сигнала ИС за измерительное время позволяет повысить точность определения координат ИС.

4. Установленная зависимость погрешностей определения координат ИС от его расположения относительно подспутниковой точки позволяет корректировать результаты измерений для повышения точности определения координат ИС.

Использование результатов диссертации. Результаты диссертационной работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», в Конструкторском бюро «Искра», а так же в учебном процессе на кафедре «Радиосистем» КГТУ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту результаты работы получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автором предложены методические основы, проведены аналитические выкладки и получены расчетные значения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Материалы всероссийских научно-технических конференций молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 103-й, J04f 1(15 и 106 гопоишиням Дня Радио, Красноярск, май 1998 г., май 1999 г., май 2000 г. май 2001 г.; Материалы Международной конференции «Информационные системы и технологии». Новосибирск, ноябрь 2000 г.; 19th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, Toulouse, April 2001 г.; Всероссийская дистанционная научно-техническая конференция молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники", посвященная 107-й годовщине Дня Радио, Красноярск, май 2002 г.; Материалы VIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2002), Воронеж, апрель 2002 г.; Материалы VI всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Решетневские чтения", Красноярск, ноябрь 2002 Г.г Материалы 9 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика". Москва, март 2003 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 1 патент РФ и 2 положительных решения по заявкам на выдачу патента РФ, 1 в реферируемом журнале.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 13^ страницы текста. Список литературы включает 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику проблемы и актуальности выбранной темы. Формулируются цели и задачи исследования, научная новизна и положения представляемые к защите, теоретическая и практическая ценность, приводится краткое содержание работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору состояния проблемы.

Проблема несанкционированного захвата ресурса Бортового Ретранслятора (БР), является предметом исследований, проводимых во многих странах.

Анализ научно-технических и патентных публикаций позволил определить перечень стран и глубину интереса исследователей к проблеме.

На основании анализа, а также материалов разработанных в диссертации разработана классификация методов определения координат (рисунок 1).

Как видно из классификации, определение координат ИС возможно по двум основным направлениям: с использованием одного ИСЗ или группировки ИСЗ. С использованием одно1 о ИСЗ методы и устройства позволяют определить координаты с антенной решёткой на борту ИСЗ как с извлечением измерительной информации на ИСЗ, так и с извлечением измерительной информации на Мониторинговой Земной Станции (МЗС), а без антенной решетки на борту ИСЗ только с извлечением измерительной информации на МЗС. К извлечённой информации относится: время задержки, Доплеровское смешение частоты, фазовый сдвиг, распределение мощности, интеграл от Доплеровского смещения частоты сигнала и векторы электромагнитного поля. Методы и устройства определения координат ИС с использованием группировки ИСЗ с извлечением измерительной информации только на МЗС также как и в первом направлении позволяют определить координаты ИС. К извлечённой информации относится, время задержки, Доплеровское смещение частоты, фазовый сдвиг, распределение мощности, интеграл от Доплеровского смещение частоты сигнала и векторы электромагнитного поля.

Одной из первых работ, посвященных определению координат ИС в системе спутниковой связи, является патент США от 1991 г. В системе использованы два ИСЗ, близко расположенные на геостационарной орбите. Источник сигнала излучает сигнал по основному лепестку диаграммы направленности в сторону первого ИСЗ, а по боковому - в сторону второго ИСЗ.В качестве источников для определения координат используются два параметра - различие по времени прихода сигналов (ОТ) и по Доплеровскому сдвигу частоты (ОР). вызванный движением ИСЗ. На поверхности Земли могут быть построены: Доплеровская изолиния - линия постоянства значения Доплеровского смещения частоты для каждого ИСЗ и линия постоянства различия по времени прихода сигналов для каждого ИСЗ (рисунок 2).

Рисунок 1 - Классификация методов определения координат ИС

Результаты экспериментальных исследований, выполненных с использованием ИСЗ ЕиПеЬа! II Р4 и ЕиЬеЬа! II Р2. показали, что прием сигнала по боковому лепестку может быть осуществлен при диаметре приемной антенны порядка 20 м. и отсутствии дополнительных сигналов в исследуемой полосе частот. Потенциальная точность определения координат при использовании описанной методики, как считают авторы, может быть достигнута порядка (10...20) км Однако, на практике погрешность достигала по одной

из координат (150...200) км, а иногда и 600 км. Такие результаты явно не имеют перспективы промышленного использования.

Север

Рисунок 2 - Изолинии на поверхности Земли

Ограниченные возможности рассмотренного выше варианта определения координат ИС (постановщиков помех), связанные, прежде всего, с необходимостью использования двух ИСЗ, очевидны. Гораздо более эффективным с точки зрения решения поставленной задачи является направление, связанное с размещением на борту ИСЗ антенной решетки (АР), в простейшем случае из 3 - 4 элементов. Единственным источником информации для определения координат источника сигнала являются характеристики фронта принимаемой волны, что может быть оценено исключительно с помощью АР, когда угол прихода фронта волны оценивается по разности хода сигнала между элементами АР. Антенная решетка в минимальном составе из двух элементов позволяет определять только линию положения -линию равных угловых координат (например, по азимуту) при произвольных значениях дальности до источника сигнала в полярной системе координат. Вторая пара элементов АР. база которых традиционно располагается под прямым углом относительно базы первой пары, позволяет определить вторую координату. В ряде случаев вместо второй пары элементов АР используют только один элемент, при размещении всех трех элементов в трех углах квадрата или под углом 120°. Тогда в качестве элемента второй пары используют один из элементов первой пары.

Существующие коммуникационные ИСЗ оборудованы одной антенной для приема всех сигналов, поэтому определить >гловые характеристики фронта Принимаемой волны не

представляется возможным. Переизлучаемый с ИСЗ сигнал не несет информации о координатах ИС, поэтому определение координат не представляется возможным.

Рассмотренные выше системы определения координат ИС используют

геостационарные ИСЗ. Задача, в принципе, решается и для низкоорбитальных ИСЗ, а также для ИСЗ с региональным лучом.

Круговая орбита геостационарного ИСЗ характеризуется углом наклонения I (угол между плоскостью экватора и плоскостью орбиты) и эксцентриситетом е т.е. отклонением орбиты от круговой. Идеальная геостационарная орбита имеет / = 0 и е =0 и ИСЗ на такой орбите имеет нулевую скорость относительно Земного пользователя. Однако всегда имеются причины - притяжение Луны, Солнца, отличие Земного шара от идеального сфероида, неточности вывода ИСЗ на орбиту, в результате действия которых орбита имеет е * 0 и / * 0 (рисунок 3), что приводит к колебаниям ИСЗ, по широте и по долготе. В результате этого ИСЗ движется с периодом 24 часа по замкнутой траектории, напоминающей цифру «8», в плоскости, перпендикулярной экваториальной, в зависимости от точки вывода спутника. Дня наблюдателя, расположенного в подспутниковой точке (точка в которой бы находился ИСЗ на ГСО. если / = 0 и е =0) «размах» траектории максимален. При перемещении наблюдателя от подспутниковой точки на Запад или Восток наблюдаемый «размах» траектории уменьшается вплоть до вырождения в прямую линию из-за изменения угла наблюдения. Кроме того, в процессе движения по этой траектории ИСЗ удаляется или приближается к Земле, выше и ниже плоскости экватора.

Северный полюс

е* о

Рисунок 3 - Траектория движения ИСЗ на ГСО

Расстояние от минимального удаления до максимального удаления достигать 1000 км. Изменение дальности ИСЗ в процессе движения по

от Земли может этой траектории

ранее в широкодоступной литературе не отмечалось, поскольку это обстоятельство не оказывает влияния на методы и процедуру сопровождения антенной ЗС ИСЗ, а проявляется только при фазово/временных траекториях измерениях.

В диссертации разработаны методы и устройства, рассматриваемые в последующих главах, определения координат ИС с использованием одного ИСЗ, с антенной решеткой на борту и без нее, с извлечением измерительной информации на Мониторинговой Земной Станции. В качестве информационного параметра используется разность фаз в антенной решётке и Доплеровское смещение частоты.

Вторая глава посвящена разработке методик определения координат ИС, на основе фазовых измерений.

Для измерения углов а| и (3[ в пространстве, фазовый радиопеленгатор должен иметь две пары антенн с взаимно перпендикулярными базами.

, а. = ап^ , Р,=агссоз—---л/ду^ 2 н- . (1)

Д\|/з_4 2-п-6

где с1 - база антенн 1-2 и 3-4, V - длина волны принимаемого сигнала, Д\)/1_2 И

Д\|/з_4 - сдвиг фаз между Э Д С. наведенными в антеннах 1-2 и 3-4

Углы, вычисленные по формулам (1) и (2), определяют направление прихода радиоволн излучаемых источником сигнала.

Поместив антенную решётку на геостационарном ИСЗ, можно определить направление на источник сигнала (ИС) относительно ИСЗ, затем вычислить его координаты в геоцентрической системе координат с учетом эллиптичности Земли. На рисунке 4 представлены геометрические построения для координат ИС, упуская промежуточные вычисления, широта и долгота ИС равна:

О.

ю = агс5т—^А. = Я. „ +агссоз—. (2)

К,. СЕ

Разработанная методика определения координат ИС с использованием антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО требует доработки бортовой аппаратуры, поэтому она не применима для уже действующих ИСЗ на ГСО

Рисунок 4 - Геометрические построения для расчета широты и долго гы источника сигнала с учетом эллиптичности Земли

Однако, используя факт перемещения ИСЗ по суточной траектории, можно сформировать виртуальную антенную решетку (ВАР) в виде нескольких последовательных по времени позиций ИСЗ, точки А, А] и А; на рисунке 5. Измеряя разность фаз сигналов ИС в этих позициях при известных (или измеренных) координатах ИСЗ, можно определить координаты ИС. Данный факт позволил разработать • фановую методику определения координат ИС без доработки аппаратуры ИСЗ на ГСО.

Понятие ВАР схоже с понятием антенны с синтезированной апертурой. С помощью ВАР решается задача радиопеленгации, а не радиолокационная задача, для решения которой широко используется синтезирование апертуры антенны. Поэтому в диссертации был использован термин «виртуальная антенная решетка».

При фиксированном положении ИСЗ линией постоянного значения разности фаз Д4/1 2 на поверхности Земта является замкну гая кривая, образованная пересечением конуса.

вершина которого расположена в точке, принадлежащей базе ВАР (точка А. на рисунке 5), и поверхностью Земли.

Для ВАР условие перпендикулярности баз не является обязательным, так как угол прихода для каждой базы определяется независимо. Однако, в целях уменьшения погрешности координат ИС, данный факт можно использовать.

В центре площади, ограниченной кривой постоянного значения разности фаз Д4/1.1, находится проекция вектора скорости ИСЗ на поверхность Земли. Смещение ИСЗ по причинам, указанным выше, приводит к изменению координат подспутниковой точки и значения Дуи, что соответствует другой замкнутой кривой.

Рисунок 5 - Геометрические построения для определения координат ИС

п

В точке пересечения, как минимум, трех замкнутых кривых, координаты центров

I

которых известны и различны, находится ИС (рисунок 6). I

Координаты точки расположения ИС могут быть найдены следующим путем. Направление прихода волны от ИС определяется по измеренному значению разности фаз Д*|/|.2ц) и равно:

V

0,= arceos--ЛУь-ч,)

где ) - номер измерения (] = 1,2,3); - база антенн в j-oй позиции ВАР,

^ = д/^чЩ+О ~~ Х5ро))~ + О^вро-Ы) ~ УярО))2 + (2410+1) _25Р0))2 ; хч>о+1>> Улю-п- 2$ри+1)> х5ри)> Учни и ^ро)_ координаты ИСЗ, служащие для формирования базы ВАР или координаты ИСЗ в которых производится измерения фазы сигнала; V - длина волны принимаемого сигнала.

с

Рисунок б - Кривые постоянного значения разности фаз

Угол у1 из рисунка 5:

=180-(в,+5,). (4)

где ^ = агсБт

Ю

; - модуль радиуса-вектора ИСЗ; Я^о) - расстояние

между центром Земли и точкой В на эллипсе, широта которой равна широте ИСЗ <р>Ри). Координаты у0! и ^ центра замкнутой кривой:

х„. = 11.

•оа -^ил со5(у,)со5(ф5рП)

)соБ(Х.5ри)) зр(Л

(5)

Здесь >.5ри) - долгота ИСЗ, а (р^л - широта ИСЗ.

Каноническая форма, задающая плоскость Е в пространстве, которой принадлежит замкнутая кривая, определяется выражением Е = л(х - -т0)+ в(у - )+ С(г - г0) = 0, гдех„. Уо иг, - координаты точки, принадлежащей данной плоскости. В рассматриваемом случае

13

это координаты центра замкнутой кривой. (Отметим, что эти координаты являются проекцией подспутниковой точки на плоскость Е.) А, В и С - координаты вектора нормали п (А,В,С) к данной плоскости, где А=(х0-х), В= (у0-у), и С=(г<,-г). Начало вектора нормали совпадает с центром геоцентрической системы координат, т.е. х=у=г=0. Поэтому плоскость, в которой лежит замкнутая кривая и которая пересекает поверхность Земли, задается следующим уравнением:

+ + = (6) Здесь х. у. г-координаты ИС.

Система из трех уравнений для трех отсчетов разности фаз Д4/1-2 при использовании (3...6) равна:

хо!х + У01У + 2о12 = ХЫ + Уы + 2о1 Хо2Х + УозУ + 2о22 = Х„, + у;, + т;2 х„3х + УозУ + 2о3г = х^з + у;3 + г\ъ

(7)

Здесь индексы 1, 2 и 3 у переменных обозначают номер измерения. Результатом решения (7) являются искомые координаты ИС х, у, ъ. Пересчет значений х. у и т. в географические широту <р и долготу ~К ИС производится по выражениям:

7. V

ср = агс!й —— , к = агй»—. (8)

л/*~ + У"

Таким образом, координаты ИС определены.

При любой степени совершенства и точности измерительной аппаратуры, независимо от тщательности проведения эксперимента, измеренное значение отличается от истинного, так как при измерении неизбежны погрешности. Источниками погрешностей определения координат ИС с антенной решеткой на борту являются:

погрешность задания координат ИСЗ ДЯ5р, Д<р5р и ЛК-ь погрешность измерения разности фаз ДДУ1.2 и ДА\|*з_|;

погрешность ориентации антенной решетки относительно сетки меридианов и параллелей.

Погрешности определения координат ИС с виртуальной антенной решеткой: погрешность задания координат ИСЗ ДХ,Р, Д<р5р и ДЯ,; погрешность измерения разности фаз ДДхуи.

Оценка широты ф и долготы X ИС являются результатом косвенных измерений. При этом погрешности определения координат ИС вычисляются путем разложения в ряд Тейлора функциональных зависимостей с пренебрежением составляющими порядка выше первого.

На рисунке 7 а построены рабочие зоны для фазовой методики определения координат ИС с антенной решёткой на борту и с ВАР рисунок 7 б, при погрешности задания координат ИСЗ ДХ5р = Афзр = ДЯ! = 0 и погрешности измерения разности фаз ДД4/1.2 = ДД ц/3-4 = 1

На Рисунке 8 приведены «Рабочие зоны» для погрешностей определения координат ИС с учётом вносимых погрешностей задания координат ИСЗ, при нулевом значении погрешности измерения разности фаз ДД\|/|.2 = ДД4М-2 = 0°.

1 -дх = о°,

2 - Д«р = 0°,

3 - Дер = ДХ = 0.001°, 4-Д(р = ДХ = 001°, 5 - Аф = ДХ = 0.1° при

ДДу,.,= ДДу3_,= 0°

Рисунок 8 - Рабочие зоны

Как видно из «Рабочих зон», рисунок 7, методика определения координат с ВАР уступает методике с антенной решеткой на борту ИЗС по размеру территории, в пределах которой погрешности определения координат не превышают заданные значения. Однако методика определения координат с ВАР технически более предпочтительна, поскольку не требует доработки аппаратуры ИСЗ и может быть использована с современным семейством работающих коммуникационных ИСЗ. Систематические погрешности определения координат могут быть уменьшены путем повышения точности определения текущих координат ИСЗ или при использовании калибровочных измерений.

Погрешности задания координат ИСЗ в соответствии с рисунком 8 влияют на погрешности определения координат ИС. Для фазовой методики с антенной решёткой на борту погрешности задания координат ИСЗ сопоставимы с методическими погрешностями. Для методики с виртуальной антенной решеткой эти погрешности на порядок ниже.

Погрешность определения координат ИС содержит случайную составляющую погрешностей по долготе 8А. и по широте 5ф, вызванную случайной погрешностью измерения разности фаз буьг и бул. При использовании случайной составляющей погрешности флуктуаций фазы 5\|/1-2 и 64/3.4 с нормальным законом распределения, нулевым математическим ожиданием т = 0 и для трёх значений дисперсии с2 = 1, 2 и 4 результаты статистического моделирования приведены на рисунке 9 а, б.

Рисунок 9 а) - Антенная решётка на борту ИСЗ (без учета погрешностей, вносимых ИСЗ)

Как видно, математические ожидания М(А,), М(<р) и дисперсии D(X). D(cp) случайной составляющей погрешности определения координат ИС по долготе 8Х и по широте 8ф. вызванные случайной составляющей измерения фазы, зависят от местоположения ИС.

м(ч>),'

в(ч>)

1.3-

/

-30 -60 -40 -20 О 80

-0.0048 -О 0093-0 0142 —0.01»-

-вО -«О -40 -20 О 20

V

Рисунок 9 б) - Виртуальная антенная решётка (без учета погрешностей, вносимых ИСЗ)

1 - М(Ду,.2, Д\|/з-1)=0°, 0(Ду,.2, Д^)=1°

2 - М(Дч<1.2, Д'Сз-4>=00, ЩД<т, Д*Сз-4)=20

3 - М(Ацг,.2. Д\|/э-1)=00, 0(Д1|/,.2, Д|Сз-.)=4°

о

Как для фазовой методики с антенной решёткой на борту, так и для ВАР, математическое ожидание и дисперсия увеличиваются с перемещением ИС к 1фаям зоны радиовидимости.

Третья глава посвящена разработке методики определения координат ИС, на основе эффекта Доплера.

Как отмечалось выше в главе 2, неидеальность геостационарной орбиты приводит не точько к колебаниям ИСЗ по широте, долготе и дальности, но и к возникновению эффекта Доплера.

Сущность разработанной методики определения координат ИС на основе эффекта Доплера близка фазовой методике с ВАР, разработанной и исследованной в главе 2. Отличие состоит в том. что измеряемым параметром является частота Доплера, а не фазовый сдвиг. Поэтому материал, приведенный в главе 2. справедлив в рассматриваемом случае с учетом сделанной выше оговорки.

Источниками погрешностей методики определения координат ИС основанной на измерении частоты Доплера являются:

погрешность задания координат ИСЗ ДХ^. Д<р5р и ДЛь

ДКа - погрешность измерения частоты Доплера:

ДГ - погрешность, вызванная расстройкой частоты ИС относительно центральной частоты тракта.

Определение широты ф и долготы А ИС является результатом косвенных измерений, таких как и для фазового метода.

На рисунке 10 приведены «Рабочие зоны» Расчеты проводились без учета погрешности задания координат ИС ДД.!р= Дф5р = ЛИ.! = 0.

В процессе движения ИСЗ по суточной траектории имеются участки, на которых скорость движения ИСЗ | VI | я= |— У2|, где индексы 1, 2 обозначают номера участков траектории движения ИСЗ. На этих участках погрешности определения координат | ЛА.| |«| - АХ2 | и, соответственно, | Дф, — Дф2 |.

1-ДЛ = 0°, 2 - Дф = 0°,

3-Дф = ДХ = 0 1°,

4-Дф = ДА = 1°, 5 - Дф = ДА = 10° 6-Дф = ДА.-0 290 7 - Дф = ДА = 0.38° 8-Дф = ДА = 064° при

ДР. = 0 001 Гц, Л<Р =ДА =ЛШ=0

Рисунок 10 - Рабочие зоны

Очевидно, что А., = А.ист + ДА,1; Х2 = Хист - ДА.,> где X, и Х2 - расчетные значения долготы соответственно в первой и второй точках, ).„сг - истинное значение долготы ИС. Тогда справедливо выражение:

I ДА., 1-1 ДА., I

-^Г-— • (9)

В пределах зоны, обозначенной на рис. 3.1 цифрой б погрешности ДА. и Дф. вычисленные по (9) и аналогичному выражению для широты, не превышают 0.29", а в пределах зоны, обозначенной цифрой 7, - не более 0.38Все расчеты выполнены при погрешности измерения доплеровского смещения частоты ДР^ =10 ^ Гц. Выражение (9) применимо и для фазовой методики с ВАР.

Результаты расчетов для разработанных методик показали, что Доплеровская методика значитечьно уступает (на порядок) в погрешности определения координат ИС с помощью ВАР и на два порядка фазовой методике с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО при сопоставимых погрешностях, с которыми выполняются измерительные процедуры. Это следует из рассмотрения размеров «Рабочих зон» на рисунок 7, 8 и 10. Однако, при использовании разработанной процедуры уменьшения погрешности, описанной выше, для фазовых измерений преимущества фазовых методик относительно Доплеровской становятся еще более очевидными.

г

Четвертая глава посвящена основам технической реализации разработанных методик ^ определения координат ИС в системе спутниковой связи.

Определение координат ИС с антенной решеткой на борту ИСЗ состоит в следующем. На борту ИСЗ размещаются 4 приемных антенны элемента, которые сгруппированы в • двумерную антенную решетку, одна из осей которой лежит в меридиональной плоскости, а

другая - в плоскости экватора Земли. В состав разработанного устройства входит командная радиолиния для передачи с МЗС на ИСЗ для поочередного подключения антенн бортовой антенной решетки к тракту трансляции сигналов ИС на МЗС. Запоминания фазы сигналов ИС производится в оперативном запоминающем устройстве МЗС. В вычислительно-индикаторном блоке МЗС, в состав которого входит фазометр, производится измерение разности фазовых сдвигов и Ац/3_4 между сигналами, принятыми элементами

антенной решетки. Также в вычислительно-индикаторном блоке производится вычисление широты (р и долготы X ИС по формулам, приведенным в главе 2.

I

Как показано выше, определение координат с помощью разработанного устройства обеспечивается с наиболее высокой точностью. Важной особенностью устройства,

I

защищенного положительным решением на выдачу патента РФ, является необходимость ' размещения на ИСЗ дополнительных антенн и узлов, что ограничивает возможности

методики для уже действующих ИСЗ на ГСО. В будущем создание систем определения координат ИС должно развиваться именно этим путем. Как показывает анализ проектов в ^ области спутниковых коммуникаций, в конструкции бортовой аппаратуры практически всех

перспективные ИСЗ заложены антенные решетки с целью управления пространственным положением луча(ей). Однако, это не является препятствием для использования антенных решеток в целях определения координат ИС.

Разработан способ и устройство определения координат ИС, использующие суточное движение ИСЗ на ГСО без доработки бортовой аппаратуры. На МЗС производится измерение дальности и угловых координат (азимут и угол места) ИСЗ Данные об азимуте.

I . "

I

угле места и дальности исчерпывающим образом описывают положение ИСЗ в каждый момент времени. Эти данные заносятся в буфер данных (ОЗУ). Сигнал ИС принимается приемником сигнала ИС, входящим в состав приемо/передающего тракта и подвергается коррекции Доплеровского смещения частоты. В блоке измерения фазы сигнала (или частоты Доплера в соответствии с Доплеровской методикой) выполняется оценка и запоминание текущей фазы несущей частоты сигнала (или частоты Доплера). В ОЗУ формируется банк-кластеров текущих параметров, каждый из которых состоит из 4 параметров: азимут, угол места, дальность ИСЗ и фаза сигнала (частота Доплера). Оценка значений параметров кластера производится в единый момент времени. В ОЗУ производится накопление достаточно большого количества кластеров.

В блоке выбора наилучших кластеров производится выбор, как минимум, 4-х кластеров, сгруппированных в пары Одна из пар представляет собой одну эквивалентную виртуальную базу, в концах которой фаза сигнала ИС соответствует записанным в ОЗУ значениям. Координаты концов виртуальной базы заданы другими параметрами в выбранных кластерах, а именно азимутом, углом места и дальностью ИСЗ. Зная эти координаты легко вычислить пространственное расположение виртуальной базы относительно экваториально-меридиональной плоскостям и ее длину. Вторая пара из выбранных кластеров таким же путем определяет вторую виртуальную базу. Критерием выбора кластеров из накопленного массива является степень близости угла пересечения виртуальных баз к 90°, при котором минимизируется погрешность определения координат неизвестного передатчика. Критерием выбора наилучших кластеров для Доплеровской методики, является максимальное значение частоты Доплера. В вычислительно-индикаторном блоке вычисляются координаты ИС по формулам, приведённым в главе 2. Для Доплепоиской метолики в вычислительно-индикаторном блоке вычисляются координаты ИС. как минимум по трём кластерам, по формулам приведённым в главе 3.

Таким образом, измерив, азимут, угол места, дальность и фазу сигнала (или частоту Доплера) ИС и произведя необходимые вычисления, можно определить направление на ИС относительно ИСЗ и как следствие, координаты ИС в геоцентрической системе координат.

Данный способ и устройство защищены положительным решением на выдачу патента

РФ.

Как показано выше (первая глава) реальная орбита спутника несколько отличается от гипотетически круговой, поскольку имеет ненулевые эксцентриситет и наклонение Относительно неподвижного Земного наблюдателя спутник перемещается по замкнутой траектории, очертанием напоминающей цифру «8» с периодом одни сутки. Это приводит к тому, что спутник удаляется и/или приближается относительно поверхности Земли, т е.

расстояние, а, следовательно и фаза сигнала, в течение времени измерения Ттм не остаются постоянными. Отсюда следует, что фазовая компонента принимаемого сигнала содержит не только постоянную измеряемую разность начальных фаз ср<, но и ф„- медленно меняющуюся переменную составляющую, вызванную перемещением спутника за измерительное время. В общем виде, фаза принимаемого сигнала зависит от времени:

= Фх +У1, (10)

где V - скорость измерения переменной составляющей.

Переменная составляющая существенно искажает результат измерения искомой величины фх, или другими словами, снижает точность измерения разность начальных фаз.

Расчеты и анализ показывают, что в любых позициях спутника, независимо от мгновенного значения скорости его движения в двух смежных измерительных интервалах, при времени измерения порядка Тшм ~ (1...10) сек. приращение переменной составляющей не превышает значений (0.01 ...0,001)°, что позволяет считать ее линейной величиной. Это обстоятельство позволяет исключить переменную составляющую из результата измерения с точностью (0.01.. .0,001)°, что вполне удовлетворяет требованиям практики.

Пусть в первом измерительном цикле результат измерения, когда скорость изменения переменной составляющей в формуле (10) положительна ¥1 = фх + Фп, а во втором: = фч а-2ф„. Тогда - *Р1 = фп, что позволяет получить интересующее значение ф* = 1Р1-фп и

фч=1Р1 — (¥2-44) = 24*1 -*Р2._ (И)

Когда скорость изменения переменной составляющей в (10) отрицательна, то 44= фч -

| Ф„, 1Р2 = фх + ф„/2. Тогда:

Ф, =Ч'2-СР1-Ч'2) = 2>Р2-,Р1. (12)

»> Выражения (11, 12) являются основой для реализации устройства. Устройство

исключения переменной составляющей, вызванной движением спутника за измерительное время, разработано и защищено патентом РФ.

В главе четыре рассмотрены пути решения проблем связанных с выделением несущей частоты сигнала ИС, с исключением многозначности угломерных измерений и измерения

I

!

разности начальных фаз двух несинхронизированных генераторов. Предъявлены требования к точности фазовых и частотных измерений

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана классификация методов определения координат ИС в системах связи с использованием ИСЗ на ГСО.

2. Разработаны и теоретически обоснованы:

• фазовая методика определения координат ИС, использующая антенную решётку на борту ИСЗ на ГСО,

• фазовая методика определения координат ИС, использующая виртуальную антенную решетку.

• методика определения координат ИС на основе эффекта Доплера.

3. Определены источники погрешностей определения координат ИС для разработанных методик.

4. Выполнена оценка и сопоставление погрешностей определения координат ИС для разработанных методик.

5. Получены оценки погрешностей, вызванных неточностью задания положения ИСЗ.

6. Обоснована возможность повышения точности определения координат ИС на определенных участках траектории движения ИСЗ на ГСО.

7. Разработан способ увеличения размеров рабочей зоны определения координат ИС.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТЫ

1. Панько, С. П. Доплеровское измерение координат в системе спутниковой связи / С. П. Панько, В. В. Сухотин; Материалы VIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Ш.КС*2002). - Воронеж, 2002. - с. 30-32.

2. Панько, С. П. Несанкционированный доступ в системы спутниковых коммуникаций. / С. П. Панько, В. В. Сухотин // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2002 г. - Л"» 4. - с. 15-27.

3. Панько. С. П. Фазовая пеленгация в спутниковой связи. /С. П. Панько, Сухотин В. В.// Электронный журнал "Исследовано в России". - 2003 г. - №35. - с. 380-388.

4. Сухотин, В.В. Источники погрешностей при определении координат. / В. В. Сухотин; Материалы VI всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Решетневские чтения". - Красноярск, 2002. - с. 39-42.

5. Положительное решение по заявке на изобретение 2001115812/09, МПК 7 G01S 1/06. Способ и устройство для определения координат неизвестного передатчика / С. П. Панько, В. В. Сухотин. - № 2001115812/09; Заявлено 08.06.2001; Опубл 10.06.2003.

^ (http://www.fips.ru/russite/default.htm) n

6. Положительное решение по заявке на изобретение 2001133721, МПК 7 G01S 3/00. Способ определения координат неизвестного передатчика в системе спутниковой связи и

* устройство для его осуществления. / С. П. Панько, В.В. Сухотин, В.Ф. Чумиков, В.В. Югай. -

№ 2001133721/09; Заявлено 11.12.2001; Опубл. 10.08.2003. (http://www.fips.ru/russite/default.htm)

7. Пат. 2207579 РФ, МПК 7 G01R 25/08. Цифровой фазометр. / С. П. Панько, В.В. Сухотин, В.Ф. Чумиков, В.В. Югай. - № 2002101423/09; Заявлено 11.02 2002; Опубл.

t 27.06.2003, Бюл: №18.

I

8. Suhotin, V. Détermination of Unknown Transmitter Coordinates in a Communication

i

Satellite System / S. Panko, V. Suhotin; 19th AIAA International Communications Satellite Systems Conférence, - Toulouse, April, 2001. - c. 75-78.

9. Панько, С. П. Новая проблема спутниковых коммуникаций / С. П. Панько, В.В. Сухотин; Материалы Международной конференции «Информационные системы и

i технологии». - Новосибирск, 2000. - с. 61-65.

, 10. Сухотин, В.В. Моделирование метода исключения систематической погрешности, при

( определении координат с помощью ГЛОНАСС / Д П. Шабанов, А.В.Косолапов; Материалы

N всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов

«Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 103-й годовщине Дня Радио -( Красноярск, 1998. - с. 50-52.

я

11. Панько, С.П. Пеленгация источников помех в системах спутниковой связи / С. П Панько. В. В. Сухотин; Материалы всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 104-й годовщине Дня Радио. - Красноярск, 1999. - с. 23-26.

12. Панько, С.П. Определение координат неизвестного передатчика в системе

I

i спутниковой связи / С. П. Панько, В. В. Сухотин; Материалы всероссийской научно-

I

I

17J2.6

технической конференции молодых ученых и студентов «Современные п{)6блемы радиоэлектроники», посвященной 105-й годовщине Дня Радио. - Красноярск, 2000. - с. 71-72.

13. Сухотин, В.В. Передача информации в спутниковой связи с использованием протокола FRAME RELAY / B.B. Сухотин, A.A. Кудрявцев; Материалы III всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 106-й годовщине Дня Радио. - Красноярск, 2001. - с. 54-56.

14. Сухотин, В.В. Определение направления прихода радиоволн с использованием виртуальной антенной решетки / В.В. Сухотин; Всероссийская дистанционная научно-техническая конференция молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники", посвященная 107-й годовщине Дня Радио. - Красноярск, 2002. - с. 15-17.

15. Панько, С.П. Фазовый метод определения координат / С. П. Панько, В.В. Сухотин; Материалы 9 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика". - Москва, 2003. - с. 19-22.

Соискатель:

Подписано в печать 20.10.2003

Формат бумаги 60x80 1/16

Усл. печ. л. 1,6

Тираж 100 экз. Заказ 941

Отпечатано на ризографе КГТУ 660074, Красноярск, Киренского 26

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Страны и разработчики.

1.2 Классификация методов определения координат ИС.

1.3 Использование двух ИСЗ.

1.4 Применение антенных решеток на борту ИСЗ.

1.5 Использование низкоорбитальных ИСЗ.

1.6 Борьба с постановщиками помех.

1.7 Движение ИСЗ на ГСО.

1.8 Выводы по главе № 1.

ГЛАВА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ИС НА ОСНОВЕ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Определение координат ИС с антенной решеткой на борту ИСЗ на ГСО.

2.2 Определение координат ИС с виртуальной антенной решеткой (ВАР).

2.3 Погрешности определения координат ИС.

2.3.1 Погрешности фазовой методики с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО.

2.3.2 Погрешности фазовой методики с ВАР.

2.4 Результаты расчетов.

2.5 Статистическое моделирование.

2.5.1 Равномерная плотность распределения.

2.5.2 Нормальная плотность распределения.

2.6 Выводы по главе № 2.

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ИС НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА

3.1 Метод определения координат ИС.

3.2 Методика, основанная на измерении Fj.

3.3 Погрешности определения координат ИС.

3.4 Результаты расчетов.

3.5 Уменьшение погрешности определения координат ИС.

3.6 Сравнение Доплеровской и фазовых методик.

3.7 Выводы по главе № 3.

ГЛАВА 4 ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИС В СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

4.1 Способ и устройство определения координат ИС с использованием антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО.

4.2 Способ и устройство определения координат ИС, использующие суточное движение ИСЗ на ГСО.

4.2.1 Влияние движения геостационарного ИСЗ на измерение сдвига фаз.

4.2.2 Использование координат известных ИС с целью увеличения размеров рабочей зоны.

4.3 Выделение несущей частоты сигнала.

4.4 Состав фазовой компоненты несущей частоты сигнала ИС.

4.5 Исключение многозначности угломерных измерений.

4.6 Требования к точности фазовых и частотных измерений.

4.7 Взаимная относительная нестабильность частот генераторов.

4.8 Выводы по главе № 4.

Системы передачи информации с использованием Искусственных Спутников Земли (ИСЗ) получили широкое распространение во многих странах в государственных, гражданских' и пр. приложениях. В основном, в таких системах передается речевой трафик в режиме один канал на несущую с уплотнением или без него. В последнее десятилетие спутниковые коммуникации все в большей степени используются в качестве сегмента компьютерных сетей с использованием IP телефонии для передачи речевых сообщений, либо в виде интегрированной структуры передачи компьютерных данных и речевых сообщений при различных методах распределения ресурса, в частности, по протоколу Frame Relay [13].

В простейшем варианте телекоммуникационная система содержит две или более Земных Станций (ЗС) и активный ретранслятор, расположенный на борту ИСЗ. Наиболее распространены системы связи с использованием геостационарных или низкоорбитальных ИСЗ.

Спутниковые системы связи охватывают значительные по площади территории [67,68]. Например, сигнал ретранслятора, работающего в диапазоне С и размещенного на борту ИСЗ, зафиксированного на геостационарной орбите (ГСО) в точке стояния 103 град. вост. долготы, покрывает территорию от Москвы до Камчатки и от Таймыра до Бомбея, включая всю Юго-Восточную Азию и Японию. Для на-\ глядного примера на рисунке В.1 схематически приведена зона обслуживания (или радиовидимости) со спутника, зафиксированного на геостационарной орбите в точке стояния около 50 град. вост. долготы [37] в диапазоне частот С и Ки (кривые равных относительных уровней мощности принимаемых сигналов отмаркированы только в диапазоне частот С). Неотмаркированная кривая соответствует диапазону частот Ки при уровне относительной мощности -1 дБ.

При анализе и расчете помехоустойчивости таких систем обычно исходят из условия наличия естественных шумовых составляющих в виде белого широкополосного Гауссова шума с равномерной спектральной плотностью в пределах полосы пропускания радиочастотного тракта [54].

Рисунок B.l - Зоны радиовидимости.

Проблемы борьбы с умышленными помехами и несанкционированного доступа в системах спутниковой связи в широкодоступной литературе не рассматривается [17].

Аппаратура ЗС и ретранслятора коммуникационных широковещательных ИСЗ не содержит средств борьбы с умышленными помехами. Поэтому представляется очевидной проблема уязвимости систем спутниковой связи. Эта проблема яв-' ляется классической для наземных средств связи [21,22] - как с точки зрения ра-v диоразведки, так и радиопротиводействия. Отработаны методы и технологии, разработаны и выпускаются серийно специальные средства, ведется регулярная работа, создана система подготовки специалистов. Совершенно по иному обстоят дела в спутниковых коммуникациях. Постановщик помехи, которой в данном случае является сигнал нелегитимного пользователя («пирата») [41,60], может располагаться в любой точке участка поверхности Земли, в пределах зоны радиовидимости ИСЗ. Отсюда следует, что проблема определения координат постановщика помех, как самостоятельная часть основной проблемы защиты спутниковых коммуникациях от постороннего вмешательства является актуальной [9,15]. Развитию этого негативного явления способствуют несколько обстоятельств:

• «Прозрачность» борта ИСЗ для любых сигналов, поступающих на его приемную антенну;

• Широкая доступность сведений о расположении ИСЗ на геостационарной орбите, а также о диапазоне рабочих частот [69].

Захват ресурсов бортового ретранслятора (БР) происходит, как правило, без учета интересов легитимных пользователей, а чаще всего - в ущерб им. Происходит это следующим образом. Пиратская ЗС излучает в сторону ИСЗ сигнал, значительно превосходящий по мощности и, как правило, значительно более широкополосный, чем сигналы отдельных легитимно работающих в системе станций. Обычно, пират не принимает во внимание занятость несущей частоты, на которой он выставляет свой сигнал. При этом БР входит в режим насыщения, т.е. слабые сигналы от работающих станций становятся еще меньше. Отношение сигнал/шум в тракте легитимного пользователя уменьшается до порогового значения, модем принимающей Земной станции выходит из синхронизма, передача информации становится невозможной. Перегрузка линейного тракта ретранслятора в системах с большим количеством Земных станций встречается достаточно часто, когда оператор одной из станций не выполняет требований регламента. Одной из функций Центра Управления Системой является обеспечение условий поддержания работы ретранслятора t в линейном режиме. Если мощность сигнала одной из станций выходит за установленные пределы, что легко определяется по анализатору спектра, то оператор ЦУСа должен выдать дежурному персоналу этой станции соответствующее указание. Единственным практикуемым в настоящее время решением при борьбе с такой помехой является перестройка штатной линии связи (передатчиков и приемников на обеих концах радиолинии), работа которой нарушена пиратом, на свободную частоту. Естественно, это путь нельзя считать перспективным.

Кроме нарушения работы системы связи, свободный и безнаказанный доступ к ресурсам бортового ретранслятора рождает еще одну особенность - пиратское использование ретранслятора для передачи информации. Это приводит к недополучению значительных средств, во-первых, от деятельности пирата, во вторых - от зарегистрированного пользователя, поскольку он не в состоянии пользоваться системой передачи информации. Наиболее ярким примером подобной деятельности является, несанкционированное вмешательство в работу системы компьютерной связи университетов России RUNNET (ИСЗ "Радуга" в точке стояния 70 град.в.д.). Регулярное вмешательство пирата(ов?) в деятельность RUNNET происходит примерно с 1995-96 г.г. по настоящее время. Попытки выяснить принадлежность источников к силовым министерствам или другим ведомствам результата не дали. Подобные факты известны практически всем операторам спутниковой связи. Можно утверждать, что интенсивность несанкционированного занятия ресурсов ретрансляторов с течением времени неуклонно увеличивается.

В [25] сообщается об официально зарегистрированных около 200 пиратских передач, из которых только одна была идентифицирована, как принадлежащая ЗС, расположенной на территории Марокко.

Борьба с несанкционированным вмешательством состоит в определении координат неизвестного передатчика (НП) для предъявления различного рода санкций, и/или создании условий, обеспечивающих невозможность работы пиратов. Для большей общности научных исследований, в диссертации рассмотрено определение координат источников сигналов (ИС), а не только НП.

Целью диссертации является исследование возможности и путей определения координат ИС в системах связи с ИСЗ, расположенном на геостационарной орбите. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

1. Разработка основ Доплеровского и фазового метода определения координат ИС с размещением и без размещения на борту ИСЗ на ГСО антенной решетки.

2. Анализ источников погрешностей, оценка и сопоставление точностных характеристик разработанных методов определения координат ИС в системах спутниковой связи.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы основы общей теории фазовой радиопеленгации, элементы аналитической геометрии, линейной алгебры, статистической теории погрешностей измерения, основные законы движения ИСЗ.

По результатам диссертационной работы сформулированы положения, представляемые к защите:

1. Фазовая методика определения координат ИС при размещении антенной решётки на борту ИСЗ на ГСО.

2. Доплеровская и фазовая методики определения координат ИС, основанные на эволюции положения ИСЗ на ГСО в пределах суточной траектории.

3. Применение фазовой методики определения координат ИС для существующих поколений коммуникационных ИСЗ на ГСО возможно только с использованием виртуальной антенной решетки (ВАР).

4. Методические и статистические характеристики погрешностей определения координат ИС зависят от расположения ИС относительно подспутниковой точки

Научная новизна результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, заключается в следующем:

1. Разработаны и обоснованы методы, позволяющие определять координаты ИС с использованием одного ИСЗ на ГСО.

2. Основы общей теории фазовой радиопеленгации распространены на случай виртуальной антенной решетки.

3. Предложено и обосновано использование участков траектории с одинаковой скоростью, возмущающего движения ИСЗ на ГСО, но различным направлением движения для увеличения точности определения координат ИС на порядок.

4. Обосновано исключение влияния медленно меняющейся переменной составляющей фазы сигнала, вызванной движением ИСЗ на ГСО, в пределах измерительного цикла.

Практическая и научная ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработанная фазовая методика с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО позволяет определять координаты ИС с высокой точностью, используя один ИСЗ на ГСО.

2. Разработанные Доплеровская методика и фазовая методика с ВАР позволяют определять координаты ИС без доработки бортовой аппаратуры ИСЗ на ГСО.

3. Исключение медленно меняющейся переменной составляющей фазовой компоненты сигнала ИС за измерительное время позволяет повысить точность определения координат ИС.

4. Установленная зависимость погрешностей определения координат ИС от его расположения относительно подспутниковой точки позволяет корректировать результаты измерений для повышения точности определения координат ИС.

Результаты диссертационной работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», в Конструкторском бюро «Искра», а так же в учебном процессе на кафедре «Радиосистем» КГТУ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Разработанные в диссертации методики определения координат ИС не имеют отношения к известным навигационным методам определения местоположения, в которых структура сигнала известна, как это реализовано, например, в системах ' ГЛОНАСС и GPS [86].

• Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана классификация методов определения координат ИС в системах связи с использованием ИСЗ на ГСО.

2. Разработаны и теоретически обоснованы:

• фазовая методика определения координат ИС, использующая антенную решётку на борту ИСЗ на ГСО,

• фазовая методика определения координат ИС, использующая виртуальную антенную решетку.

• методика определения координат ИС на основе эффекта Доплера.

3. Определены источники погрешностей определения координат ИС для разработанных методик.

4. Выполнена оценка и сопоставление погрешностей определения координат ИС для разработанных методик.

5. Получены оценки погрешностей, вызванных неточностью задания положения ИСЗ.

6. Обоснована возможность повышения точности определения координат ИС на определенных участках траектории движения ИСЗ на ГСО.

Разработан способ увеличения размеров рабочей зоны определения координат ИС. Результаты диссертационной работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», в Конструкторском бюро «Искра», а так же в учебном процессе на кафедре «Радиосистем» КГТУ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении. Работа поддержана двумя грантами Красноярского Краевого Фонда науки.

В результате проведённых исследований сделаны следующие выводы: 1. Проблема несанкционированного захвата ресурса бортового ретранслятора является предметом исследований, проводимых во многих странах

2. Методика определения координат с ВАР уступает методике с антенной решеткой на борту ИЗС по размеру территории, в пределах которой погрешности определения координат не превышают заданные значения. Однако методика определения координат с ВАР технически более предпочтительна, поскольку не требует доработки аппаратуры ИСЗ и может быть использована с современным семейством работающих коммуникационных ИСЗ.

3. Систематические погрешности определения координат могут быть улучшены путем повышения точности определения текущих координат ИСЗ или при использовании калибровочных измерений.

4. Минимальные погрешности определения координат ИС достигаются при использовании фазовой методики с антенной решёткой на борту.

5. Погрешности задания координат ИСЗ оказывают влияние на погрешности определения координат ИС. Для фазовой методики с антенной решёткой на борту погрешности задания координат ИСЗ сопоставимы с методическими погрешностями. Для методики с виртуальной антенной решёткой эти погрешности на порядок ниже.

6. Вычислительно-измерительные процедуры не изменяют характера распределение случайных погрешностей определения долготы и широты относительно исходного распределения случайных погрешностей измерения фазовых сдвигов.

7. Математическое ожидание и дисперсия погрешностей определения координат зависят от местоположения ИС и увеличиваются при перемещении ИС к краям зоны радиовидимости.

8. Доплеровская методика определения координат методика значительно уступает (на порядок) в погрешности определения координат ИС с помощью ВАР и на два порядка фазовой методике с антенной решёткой на борту ИСЗ на ГСО при сопоставимых погрешностях, с которыми выполняются измерительные процедуры.

9. Направления дальнейших исследований:

• Использование нескольких спектральных составляющих сигнала неизвестного ИС для повышения точностных характеристики системы определения координат.

• Исследовать возможность определения координат, когда угол между вектором скорости ИСЗ и его радиус-вектором имеет произвольное значение.

• Выполнить аналогичный комплекс исследований применительно к бортовым ретрансляторам с нелинейной обработкой.

Заключение

1. Панько, С. П. Доплеровское измерение координат в системе спутниковой связи / С. П. Панько, В. В. Сухотин; Материалы VIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2002). Воронеж, 2002. - с. 3032.

2. Панько, С. П. Несанкционированный доступ в системы спутниковых коммуникаций. / С. П. Панько, В. В. Сухотин // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2002 г. - № 4. - с. 15-27.

3. Панько, С. П. Фазовая пеленгация в спутниковой связи. /С. П. Панько, Сухотин В. В.// Электронный журнал "Исследовано в России". 2003 г. - №35. - с. 380-388.

4. Сухотин, В.В. Источники погрешностей при определении координат. / В. В. Сухотин; Материалы VI всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Решетневские чтения". Красноярск, 2002. - с. 39-42.

5. Пат. 2207579 РФ, МПК 7 G01R 25/08. Цифровой фазометр. / С. П. Панько, В.В. Сухотин, В.Ф. Чумиков, В.В. Югай. № 2002101423/09; Заявлено 11.02.2002; Опубл. 27.06.2003, Бюл: №18.

6. Suhotin, V. Determination of Unknown Transmitter Coordinates in a Communication Satellite System / S. Panko, V. Suhotin; 19th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, Toulouse, April, 2001. - c. 75-78.

7. Панько, С. П. Новая проблема спутниковых коммуникаций / С. П. Панько, В.В. Сухотин; Материалы Международной конференции «Информационные системы и технологии». Новосибирск, 2000. - с. 61-65.

8. Панько, С.П. Национальные приоритеты информатизации страны / С. П. Панько // Технологии и средства связи. 1999, ноябрь-декабрь - с.78.

9. Панько, С.П. Фазовый метод определения координат / С. П. Панько, В.В. Сухотин; Материалы 9 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика". Москва, 2003. - с. 19-22.

10. Макаров, С.Б. Радиоэлектронные методы защиты сообщений от несанкционированного доступа / С.Б. Макаров // Научно-технические ведомости. 1999. - №4 - с. 155.

11. Кинкулькин, И.Е. Фазовый метод определения координат / И.Е. Кинкулькин, В.Д. Рубцов, М.А. Фабрик- М.: Сов. Радио, 1979. 280 с.

12. Чмых, М.К. Цифровая фазометрия / М.К. Чмых. М.: Радио и связь, 1993.

13. Пат. 2122217 РФ. Способ угловой ориентации по радионавигационным сигналам космических аппаратов (варианты) / A.M. Алешечкин, Ю.Л. Фатеев, М.К. Чмых. Опуб. 1998, Б.И. № 32.

14. Ипатов, В.П. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах / В.П. Ипатов и др. М.: Советское радио, 1975.

15. Пестряков, В.Б. Фазовые радиотехнические системы (Основы статистической теории) / В.Б. Пестряков Советское радио, 1968.

16. Винокуров, В.И. Электрорадиоизмерения: Учеб. Пособие для радиотехнич. Спец. Вузов / В.И. Винокуров, С.И. Каплин, И.Г. Петелин 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986.-351 с.

17. Трахтман, A.M. Основы теории сигналов на конечных интервалах / A.M. Трахт-ман, В.А. Трахтман. М.: «Сов. Радио», 1975.

18. Колюбакин, В. Конференция в Дубне. / В. Колюбакин // TEJIE-Спутник, май, 1999-C.40

19. Pat 5008679 US, Н04В 007/185. Method and system for locating an unknown transmitter / J. E. Effland, J. M. Gipson, D. B. Shaffer, J. C. Webber № 472837; Filed January 31, 1990; etal. April 16, 1991.

20. Pat 5570096 US, G01S 005/02. Method and system for tracking satellites to locate unknown transmitting accurately / C. A. Knight, J.C. Webber № 410279; Filed March 24, 1995; etal. October29, 1996.

21. Pat 5594452 US, H04B 007/185. Method and system for locating an unknown transmitter using calibrated oscillator phases / J. C. Webber, C. A. Knight № 352779; Filed December 1, 1994; et al. January 14, 1997.

22. Pat 6018312 US, H04B 007/185. Locating the source of an unknown signal / Haworth. D. P. № 043444; Filed March 20, 1998; et al January 25, 2000.

23. Левин, Б. P. Теоретические основы статистической радиотехники / Б. Р. Левин. -М.: Советское радио, 1966.

24. А. с. 1448295. Цифровой частотомер / В.Г. Патюков 1988, Бюл: № 48.

25. Tsuji, H. Detection of direction and number of impinging signals in array antennas using cyclostationarity. Electronics and Communication in Japan (Part 1: Communications) / H. Tsuji, J. Xin, S. Yoshimoto, A. Sano // V.82,1.10, 1999. p.29.

26. Pat FR2769097B1 FR, G01S 5/02. System de radiolocalisation a base de satellites geosyncrones / D. Wetzel, E. Lansard № FR199719979712065; Filed Sept. 29, 1997; et al. Oct. 29, 1999.

27. Pat FR2767616B1 FR, G01S5/00R1. Precede de localization d un terminal fixe grace a une constellation de satellites / F. Durnez, J. Bousquet № FR199719979710602; Filed Aug. 25, 1997; et al. Sept. 24, 1999.

28. Спутниковые системы связи и вещания 1999/2000 в 2-х частях. / Под ред. В.Р. Анпилогова М., ИПРЖ «Радиотехника», 2000.

29. Pat 6147640 US, G01S 005/02. Communications satellite interference location system /М. R. Wachs № 270160; Filed March 16, 1999; et al. November 14, 2000.

30. Giusto, R. Phase-Only Optimization for the Generation of Wide Deterministic Nulls in the Radiation Pattern of Phased Arrays. / R. Giusto, P.de Vincenti // IEEE Transaction on Antennas and Propagation v.AP-31, September 1983. № 5- p.814.

31. Горностаев, Ю.М. Перспективные спутниковые системы связи / Ю.М. Горностаев, В.В. Соколов, JI.M. Невдяев М.: Из-во «Горячая линия», 2000.

32. Болыдова, Г. В ожидании перемен («Пираты в космосе») / Г. Большова, JI. Невдяев М.: Сетию - 2000. - № 11 - с.42.

33. Clarricoats, P.J.B. Reconfigurable Antennas for Spacecraft Applications Proceedings 23rd URSI General Assembly / P.J.B. Clarricoats // Vol. 2, August 1990.

34. Monk, A.D. Theoretical Performance of Reconfigurable Mesh Reflectors / A.D. Monk, H. Zhou, P.J.B. Clarricoats // 16th QMW Antenna Symposium April 1990.

35. Schmidt, R. O. Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation / R. O. Schmidt // IEEE Transaction on antennas and propagation, vol. AP. 34 , March 1986 No. 3.

36. Pat 5859610 US, H04B 007/185 Method and a system for locating ground equipment transmitting via satellites / R. Lenormand, H. Favaro, T.Quignon, C. Rigal, C. Villemur № 948485; Filed October 10, 1997; et al. January 12, 1999.

37. Pat 5874918 US, GO IS 005/02. Doppler triangulation transmitter location system / S. V. Czarnecki, J.A. Johnson, C.M. Gray, G. VerWys, C. Gerst № 731193; Filed October 7, 1996; et al February 23, 1999.

38. Effland et al J. E. Field Trials of a Transmitter Location System Using INTELSAT Satellites, INTEL-874 / Effland et al J. E. // Dec. 30, 1991. Phase 3.

39. Pat DEI9842324A1 DE, G01S5/04 System zur funkortung mittels goesynchroner satelliten / D. Wetzel, E. Lansard № DEI998019842324; Filed Sept. 16, 1998; et al. April 1, 1999.

40. Pat 5073784 US, GO 1S 003/02. Transmitter location system for frequencies below HF / Westfall; Wallace D. № 249443; Filed April 26, 1972; et al. December 17, 1991.

41. Чернявский, Г.М. Орбиты спутников связи / Г.М. Чернявский, В.А. Бартенев -М.: Связь, 1978.-240 с.

42. Кантор, Л.Я. Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты. / Л .Я. Кантор, В.В.Тимофеев -М.: Радио и связь, 1988. 168 с.

43. Белавин, О.В. Основы радионавигации. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, пе-рераб. и доп. / О.В. Белавин М., Советское радио, 1977. - 320 с.

44. Гришин, Ю.П. Радиотехнические системы: Учеб. Для вузов по спец. "Радиотехника"/ Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. М.; Высш. шк., 1990 - 496 с.

45. Марков, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебн. Пособие для вузов / Г.Т. Марков, Б.М. Петров, Г.П. Грудинская- М.: Сов. Радио, 1979.

46. Ильин, В.А. Аналитическая геометрия / В.А. Ильин, Э.Г Позняк М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1971. - 232 с.

47. Двайт, Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / Г.Б. Двайт -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1977. 228 с.

48. Прудников, А.П. Интегралы и ряды / А.П. Прудников Ю.А. Брычков, О.И. Мари-чев М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 800 с.

49. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1964. - 576 с.

50. Невдяев, JI. Путеводная звезда, которая светит всегда / JI. Невдяев М.: Сети 1998, № 6. ( http://www.osp.ru/nets/! 998/06/12.htm).

51. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский М.: Сов. радио, 1977.

52. Пат. 2105319 РФ. Способ угловой ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем / Ю.М. Фатеев, М.К. Чмых. Опуб. 1998., Б.И. № 5.

53. Haworth, D.P. Interference localization for EUTELSAT satellites the first European transmitter location system. / D.P. Haworth, N.G. Smith, R. Bardeli and T. Clement //International journal of satellite communication. - 1997 - v. 15 - p. 155

54. Горяинов, В.Т. Примеры и задачи по статистической радиотехнике / В.Т. Горяи-нов, А.Г. Журавлев, В.И. Тихонов М.: Советское радио. 1970.

55. Ермолов, Р.С. Цифровые частотомеры / Р.С. Ермолов JL: Энергия, 1973.

56. Патюковг В.Г. Теоретические основы усредняющих устройств / В.Г. Патюков // из-во Красноярского государственного технического университета. Красноярск, 2000.

57. Машбиц, JI.M. Зоны обслуживания систем спутниковой связи / JI.M. Машбиц — М.: Радио и связь, 1982.

58. Петрович, Н.Т. Космическая радиосвязь / Н.Т. Петрович, Е.Ф. Камнев, М.В. Каб-лукова / Под ред. Н.Т. Петровича 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Сов. Радио, 1979.

59. Траектория движения ИСЗ на ГСО / (http://www.lyngsat.com).

60. Pat 0020070889 US, H04B 007/185. Method and apparatus for locating the source of an unknown signal / Griffin, Christopher., Edmonds, Paul R., Duck, Simon R № 955224; Filed September 19, 2001; et al. June 13, 2002.

61. Pat 0020126043 US, H04B 007/185. Method and apparatus for locating a terrestrial transmitter from a satellite / Martinerie, Francis., Bassaler, Jean-Marc № 043327; Filed January 14, 2002; et al. September 12, 2002.

62. Pat 6417799 US, H04B 007/19. Method of locating an interfering transmitter for a satellite telecommunications system / Aubain; Agnes., Lobert; Bruno., Martinerie; Francis., Deligny; Bernard. FR) № 722300; Filed November 28, 2000; et al. July 9, 2002.

63. Pat 5570099 US, G01S 003/16 TDOA/FDOA technique for locating a transmitter / DesJardins; Gerard A. № 138154; Filed October 15, 1993; et al. October 29, 1996.

64. Franke; Earnest A. Method and apparatus for determining location of an unknown signal transmitter. US Patent № 5,706,010, 1998 r.

65. Пат 2172495 РФ, МПК7 B64G1/10. Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу / А.Ю. Асеев, С.В. Бау-шев, О.А. Макаров -№ 99107986/28; Заявлено 13.04.1999; Опубл. 27.09.2001.

66. Пат 99108998 РФ, G01S5/12. Определение местоположения с помощью одного спутника на низкой околоземной орбите / Леванон Наддав № 99108998/09; Заявлено 30.09.1996; Опубл. 10.02.2001.

67. Пат 2174092 РФ, G01S3/00. Угломестно-временной доплеровский способ определения координат аварийного объекта / О.Л. Полончик, А.А. Решетко № 97121946/09; Заявлено 17.12.1997; Опубл.27.12.1998.

68. Пат 2124215 РФ, Способ однозначного пеленгования источника радиосигнала / А.Д. Виноградов № 99108998/09; Заявлено 30.09.1996; Опубл. 10.02.2001.

69. Панько, С. П. Определение координат Земных передатчиков в спутниковой связи. Радиотехника / С. П. Панько В. В. Сухотин (в печати).

70. Беклемишев, Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры / Д.В. Беклемишев М.: Наука, 1981.

71. Шипачев, B.C. Высшая математика / B.C. Шипачев М.: Высшая школа, 1990.

72. WGS-72 (Мировая геодезическая система) 1972.

73. Кравцов, Ю.А. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли / Ю.А. Кравцов, З.И. Фейзулин, А.Д. Виноградов М.: Радио и связь, 1983.

74. Hofmann-Wellenhof, В. Global Positioning System. Theory and Practice. Springer / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins Vergal Wien New York, 1994.

75. Пат. 2208809 РФ. Способ одночастотного определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере / М.Ю. Казанцев, В.И. Кокорин, Ю.Л Фатеев-21.02.2002.

76. Шебшаевич, B.C. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; Под ред. B.C. Шебшаевича. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993.

77. Ерухимов JI.M. Исследование неоднородностей ионосферы при помощи ИСЗ. -В кн.: Дрейфы и неоднородности в ионосфере / О.И. Ерухимов JI.M., Максименко О.И. -М.: Наука, 1973.

78. ICD-GPS-200, Revision С, U.S. Government, October 10, 1993.