автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование электромагнитной совместимости спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех

УДК621.394 (04) ББК 32.88 ДЗО

На правах рукописи

ДЕМЕНТЬЕВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

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

Специальность:

05.13.01. - "Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2011

1 6 июн 2011

4850592

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

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ЯЬЫС)» (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.

И. 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;

6) 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.

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: П (долгота восходящего узла орбиты), i (наклонение орбиты), со (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:

X , + (4Xa/Ra3=0, Y а + jjYa/Ra3=0, Z а + HZa/R/=0, Ra(0 - XA(t) X/ + YA(t) Y/ + ZA(t) ZA°, R/~ XA2 + У/ + 2/

При моделировании движения одиночных источников радиопомех на КА применяется переход к собственным орбитальным системам координат OXKAYKAZKA с плоскостями орбит XraYka- Их положение относительно абсолютной экваториальной OXAYAZA описывается углами наклонения ¡¡а и долготы œKA. В этом случае используются уравнения:

х КА + /иХклтк/=0, Y ш + MYKA/RKA3=0 Rka + YKA , ZKA=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:

Xi<A(t) = Rka cosCpm), Y KA(t) = Rka sm((pKA), (Pia(t) = const + mKAt, = (/j./Rka)'2, Rka = R3 + h,a,

где R3 — 63 78 км — средний радиус Земли, - высота орбиты К А.

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-Ap (дБ)

где: 1= Р„[ш\ Ps - средняя плотность мощности сигнала (дБВт); d = RKa=R3+hic4 -наклонная дальность между рассматриваемым мешающим передатчиком и приемником навигационной аппаратуры потребителей (НАП), для которого производится оценка помех (км); Gs - усиление антенны рассматриваемой мешающей космической системы (КС) в направлении приемника, для которого производится оценка помех (дБ); Ge - усиление антенны приемника (дБ);/- частота (МГц); А,, = bz-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+228.6-1OlgTe-1 OlgdfD (дБ)

где: (C/N)- отношение сигнал/шум на входе приемной земной станции (ЗС), дБ; Ld - затухание сигнала в свободном пространстве на расстоянии Z); Ps - общая пиковая мощность передающей КС, дБВт; FD - несущая частота, МГц; dfD - ширина полосы сигнала, Гц; Те - шумовая температура приемной системы ЗС, Gs - усиление передающей антенны космической станции (КС), дБ; GE - 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 Sn(ft). В этом методе исследуемый спектральный диапазон Af разбивается на поддиапазоны Sf: Af = S Sf. (В минимальном составе они повторяют полосы сигналов от навигационных спутников ГЛОНАСС). В результате сигнал Sn(f,t) преобразуется в систему временных сигналов мощности на разных частотах:

sn(f,o = m»

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:

7} = 2ж/а>/

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:

1*2=(ХС-ХП)2 + (Тс- ¥„)2 +(1С~1П)2

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

ЭИИМпрА - Р, ■ О, - Рпрм ■ Ьг ■ (4лК)2 / (С, ■ Я2)

где: ЭИИМпрд - эффективная изотропно-излучаемая мощность передатчика; (Рпрм) - общая мощность приемника отношение сигнал/шум на входе приемной земной станции (ЗС), Рз - общая пиковая мощность передающей космической станции, дБВт - усиление антенны рассматриваемой мешающей КС в направление приемника, для которого производится оценка помех (дБ); СЕ - усиление антенны приемника НАП (дБ), Ь£= Ь, ■ Ьпрм - коэффициент суммарных потерь; Я - 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 Ы (1.6 ГГц с шагом 0.5625 МГц); 6 радиолинии - диапазон Ь2 (1.25 ГГц с шагом 0.4375 МГц); 1 радиолиния - диапазон ЬЗ (1.1 ГГц с шагом 0.423 МГц); 1 радиолиния - диапазон Ь4; 1 радиолиния - диапазон Ь5.

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), X (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, MARI SAT 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 С -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 X - 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.

<змс, дБВт — Г 1 / Г

1 ! Г 1 \

300 500 700 1000 1500 2000

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.

III 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".

IV. 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. ИЗ -120.

2. Дементьев А.Н., Шишаков К. В. Систематизация радиотехнических условий для анализа потенциальных каналов непреднамеренных помех в системе ГЛОНАСС. II 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.З. - С. 2310 - 2317.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ (ЭМС) СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

1.1 Условия современной электромагнитной обстановки при работе спутниковых навигационных радиосистем.

1.1 Общая характеристика радиоканалов СНС ГЛОНАСС.

1.2 Потенциальные орбитальные источники , непреднамеренных радиопомех для РЭС ГЛОНАСС в современных условиях.

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МЕТОДИК ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭМС СНС ГЛОНАСС С ОРБИТАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ РАДИОПОМЕХ.

2.1 Критерии и методы обеспечения ЭМС СНС с бортовыми источниками непреднамеренных помех.

2.2. Разработка алгоритма идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех.

2.3. Систематизация способов защиты частотных присвоений приемных устройств ГЛОНАСС от непреднамеренных радиопомех.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АНАЛИЗА ЭМС РЭС ГЛОНАСС С ОРБИТАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ РАДИОПОМЕХ.

3.1 Математическая модель временного поведения орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

3.2. Формирование математической модели описания радиолиний с орбитальными источниками непреднамеренных помех.

3.3. Разработка алгоритмов идентификации негеостационарных орбитальных источников непреднамеренных помех.

4. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭМС СНС ГЛОНАСС С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ОРБИТАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ РАДИОПОМЕХ

4.1. Систематизация исходных данных РЭС ГЛОНАСС для конкретизации условий воздействия непреднамеренных помех.

4.2. Системный анализ потенциальных радиоканалов непреднамеренных помех на приемные станции СНС ГЛОНАСС.

4.3. Характеристика потенциальных орбитальных источников радиопомех и моделирование сценариев их действия на наземные станции.

4.4. Использование фильтров для улучшения ЭМС навигационного сигнала с радиопомехой.

Темпы развития космических радиосистем стремительно наращиваются в различных областях применения: навигация, связь, научные исследования, наблюдения Земли, военные применения и другие [48,56]. Разработка и производство остается относительно стабильным сегментом общего рынка космической промышленности с мировым годовым оборотом более 10 млрд. долл. Абонентская база только систем спутниковой связи оценивается более чем 50 млн. пользователей, причем за последние пять лет она увеличилась вдвое.

Вновь разрабатываемые и модернизируемые космические радиоэлектронные средства (РЭС) все чаще сталкиваются с проблемами обоснованного выбора полос радиочастот для беспомехового функционирования [9,10]. Все более актуальной становится задача повышения качества и устойчивости функционирования приемных устройств информационных спутниковых систем в условиях воздействия непреднамеренных помех [51]. Решение задачи зависит от наличия достоверной информации о частотно-энергетических и орбитальных параметрах бортовых РЭС - источников непреднамеренных радиопомех.

Повышение устойчивости функционирования РЭС в условиях радиопомех ведется по двум направлениям [57, 58, 60]: 1) путем разработки и внедрения различных организационно-технических мероприятий по повышению их помехозащищенности; 2) с помощью системы мер международно-правовой защиты частотных присвоений приемных РЭС.

Существует ряд факторов, определяющих проблему обеспечения защиты частотных присвоений РЭС космических систем и комплексов:

1. Усложнение электромагнитной обстановки в космическом пространстве за счет увеличения количества РЭС космических и наземных служб и, как следствие этого, ужесточение норм и правил международного регулирования и использования частотно-орбитального ресурса.

2. Ограниченность радиочастотного спектра при постоянно растущих потребностях существующих и новых применений космических и наземных радиослужб и нарастание в мировой практике тенденций перераспределения радиочастотного спектра.

3. Увеличение количества стран, влияющих на формирование технической и юридической политики МСЭ.

Спутниковые навигационные системы (СНС), включая ГЛОНАСС, являются системами безопасности и требуют специальных мер защиты от вредных помех [23,24]. Навигационная аппаратура потребителей (НАЛ) относится к радиосредствам, обеспечивающим безопасность жизни людей, поэтому к ней предъявляются повышенные требования по обеспечению надежности и безотказности функционирования. В ряде случаев требования по надежности для навигационного оборудования достигают 0.99999.

Столь высокие требования обуславливают необходимость всестороннего исследования условий электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с РЭС различных радиослужб. Эти исследования должны включать как типовые помеховые сценарии, определяемые нормальным функционированием РЭС в общих или смежных полосах частот, так и возможные непредвиденные непреднамеренные ситуации.

Анализ типовых помеховых сценариев обеспечения ЭМС проводится в соответствии с требованиями и рекомендациями МСЭ, и опирается на методологическую основу регулирования радиочастотного спектра.

Учет, определение технических сбоев и технических неполадок в работе бортовой радиоаппаратуры проводится операторами ГЛОНАСС с целью обоснования надежности работы РЭС. Как показывает практика, вероятность таких непредвиденных ситуаций только возрастает по мере развития космического радиосегмента. •

Среди типовых причин возникновения помехового воздействия можно отметить: перевод радиопередатчика в нелинейный режим; изменение радиофизических свойств атмосферы и космического пространства; ухудшение селективных свойств антенн; тепловое разрушение радиоэлементов и другие.

В случае возникновения помехового воздействия требуется идентифицировать помеху, затем правовыми методами - обращением к Администрации связи источника помех и Бюро радиосвязи МСЭ нейтрализовать ее. С течением времени влияние таких сценариев на надежность функционирования СНС будет возрастать, ввиду увеличения количества космических аппаратов (КА) в группировках и стремления разработчиков РЭС к увеличению мощности сигнала в зоне обслуживания КА. Ранее такие задачи не были столь важны, так как группировки КА были малочисленны.

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

В ходе проведенных исследований проблема системного исследования электромагнитной совместимости СНС ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, возникающих от источников на негеостационарных орбитах, не была освящена в полной мере.

Исходя из этого, тема предлагаемой диссертационной работы «Исследование электромагнитной совместимости- спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех», раскрываемая с позиций системного подхода и направленная- на повышение надежности РЭС СНС ГЛОНАСС, является актуальной.'

Целью диссертационной работы является решение научной1 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:

- анализ особенностей влияния современной электромагнитной* обстановки на работу спутниковых навигационных'радиосистем;

- систематизацию характеристик радиоканалов ГЛОНАСС;

- определение потенциальных орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

2. Разработка системы методик расчета ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источникаминепреднамеренных радиопомех, включая:

- критерии и методы обеспечения ЭМС РЭС;

- разработку обобщенного алгоритма идентификации негеостационарных источников непреднамеренных помех;

- систематизацию способов защиты, частотных присвоений приемных устройств СНС ГЛОНАСС.

3. Разработка математического обеспечения расчетов ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, включая:

- математическую модель временного поведения орбитальных источников радиопомех;

- математическую модель описания радиолиний с орбитальными источниками помех;

- разработку алгоритмов идентификации неконтролируемых орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

4. Проведение системного анализа возможности обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех, включая:

- систематизацию исходных тактико-технических данных РЭС ГЛОНАСС;

- выявление потенциальных радиоканалов непреднамеренных воздействий на РЭС ГЛОНАСС;

- определение параметров орбитальных источников радиопомех и моделирование сценариев воздействия;

- разработка вариантов обеспечения ЭМС с использованием технических средств защиты.

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.

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.

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 2 страницах.

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.

Основные результаты реализованы:

- 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.

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 (ЬШ^С)» (Воронеж, 2010), научно-технических конференциях в 4ЦНИИ МО РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена актуальная научно-техническая задача по разработке методологической основы для системного решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех и разработки на ее основе практических рекомендаций.

В ходе ее решения получены следующие результаты:

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

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.

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.

2. Разработана комплексная система методик обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

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.

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.

Выбор степени защиты РЭС проводился посредством морфологического метода, в рамках его была сформирована и проведен анализ матрицы 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 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.

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

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.

4. Проведен системный анализ ЭМС ГЛОНАСС с потенциальными орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

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 Ы (1.6 ГГц с шагом 0.5625 МГц); 6 радиолинии - диапазон Ь2 (1.25 ГТц с шагом 0.4375 МГц); 1 радиолиния -диапазон- ЬЗ (1.1 ГГц с шагом 0.423 МГц); 1 радиолиния - диапазон Ь4; 1 радиолиния - диапазон Ь5.

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.

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.

Результаты представлены в виде визуализаций сложных процессов электромагнитного взаимодействия, а также сопровождающих их графиков.

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

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- впервые разработана методологическая основа системного решения проблем обеспечения ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

- предложена системы методик обеспечения ЭМС ГЛОНАСС с непреднамеренными и неконтролируемыми орбитальными источниками радиопомех.

- синтезирована комплексная математическая модель обеспечения ЭМС РЭС ГЛОНАСС с орбитальными источниками радиопомех.

- разработаны алгоритмы идентификации неконтролируемых орбитальных источников непреднамеренных радиопомех.

- подготовлены практические рекомендации по обеспечению ЭМС ГЛОНАСС с неконтролируемыми орбитальными источниками непреднамеренных радиопомех.

1., Абалакин В .К., Аксенов Е.П., Гребенников H.A., Демиш В.Г., Рябов Ю.А "Справочное руководство по небесной механике и астродинамике" //Наука, 1976 г., с. 864.

2. Акимов A.A. "Особенности размещения? наземных станций-в системах связи через негеостационарные ИСЗ". // Электросвязь, 1998 г.

3. Баландин B.C., Голоаинский К.В., Дорофеев В.В., Куц В.А. "Перспективы развития приемных устройств радиоэлектронной^ борьбы"//Зарубежнаяфадиоэлектроника,1987 г., №12^ с: 78 92.

4. Баушев С.В., Передрий A.B. "Разработка перспективных систем связи вооруженных сил США и объединенных вооруженных сил НАТО" // Зарубежная радиоэлектроника, 2000 г., № 7., с. 3-20.

5. Бартенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. и др. "Спутниковая связь и! вещание"//Радио и связь, 1997 г. с. 528.

6. Бадалов А.Л., Михайлов A.C. "Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС". // Радио и связь, 1990 г.

7. Бородин C.B. "ЭМС наземных и космических радиослужб: Критерии, условия и расчет" // Радио и связь, 1990 г., с. 272.

8. Быховский М.А., Папернов И.Л., Хоробрых С.Т. Методика анализа ЭМС негеостационарных спутниковых радиосистем с геостационарными спутниковыми и наземными радиосистемами. / Электросвязь. — 1995. № 6., с. 13 - 17.

9. Белянский П.В:, Сергеев Б.Г. "Управление наземными антеннами и радиотелескопами"! // Сов. Радио, 1980 г., с. 280.

10. Бутенко В.В., Быховский М.А., Веерпалу В.Э. "Исследования и разработки НИИР в области управления использованием РЧС" // Мобильные системы, 2006г., с. 42 47.

11. Буга Н;Н., Канторович В.Я., Носов В.И! "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" // Радио и связь, 1993г.

12. Быховский М.А. "Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем"*// Эко-Трендз, 2006 г., с. 376.

13. Вдовин С.Е., Волончук В.Н. "Разрешающая способность по частоте цифровых анализаторов спектра" // Радиотехника, 1990 г., с. 41 — 44.

14. Власов В.Н. "Низкоорбитальные спутниковые системы связи"// Технология электронных коммуникаций, 1996 г.

15. Волков Л.Н., Немировский'М.С., Шинаков Ю.С. "Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики" Эко-Трендз, 2005г., с. 392.

16. Голышко А. "Глобальная навигация" // Радио, 2010г., с. 5 — 7.

17. Гриценко A.A., Жиров В.А., Липатов A.A. "Концептуальные основы создание системы радиоконтроля фиксированной и фиксированной спутниковой служб" // Connect: Мир связи., № 4, 2008 г.

18. Гриценко A.A. "Особенности организации радиоконтроля в диапазонах частот фиксированной спутниковой службы. Основные требования к автоматизации и информационно-расчетной поддержке в задачах радиоконтроля" // Тезисы выступления.

19. Гроп Д. "Методы идентификации систем". Мир., 1979 г. с 302.

20. Гельфандбейн Я.А. "Методы кибернетической диагностики динамических систем", Знание, 1967г., с. 542.

21. Голован A.A., Вавилова Н.Б. "Спутниковая навигация. Задачи первичной обработки первичных измерений спутниковой навигационной системы для геофизических приложений" // Фундаментальная и прикладная математика, 2005т., № 7, с. 181 — 196.

22. ГОСТ Р 52536-2006. "Оборудование станций радиоконтроля автоматизированное. Технические требования и методы испытаний". // Стандартинформ, 2008г., с.28.

23. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. "Физические величины: Справочник" // Энергоатомиздат, 1991 г., с.1232.

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

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

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

27. Дятлов А.П: "Системы спутниковой связи с подвижными объектами" // Учебное пособие. 4.1, Таганрог, ТГТУ, 2004 г., с. 95.

28. Джонсон Д.Х. "Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения" // ТИИЭР, 1982 г., Т. 70, № 9., с. 126 139.

29. Дрогалин В.В. "Алгоритмы оценивания угловых координат источников излучения, основанные на методах спектрального анализа". // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1998 г., №2., с. 3-17.

30. Елисеев С.Н. "Беспроводные сети передачи данных" // Москва, «САЙНС-ПРЕСС», 2008г.

31. Жилин В.А. "Международная спутниковая система морской связи ИНМАРСАТ" // Справочник. JL: Судостроение, 1988г.

32. Жодзишский М.И., Мазепа Р.Б. "Цифровые радиоприемные системы: Справочник" // Радио и связь, 1990 г.

33. Журнал "Теле-Спутник" 2(16) "Спутники семейства Ямал".

34. Зенкевич O.A. "Энергетические характеристики космических радиолиний" // Советское радио, 1972 г., с. 436.

35. Зубарев Ю.Б. "Становление и развитие в НИИР работ в области управления использованием радиочастотного спектра" // Электросвязь, 1999 г., № 10.

36. Зубарева Ю.Б., Быховского М.А. "Использование радиочастотного спектра и развитие в России сетей подвижной связи 3-го поколения"// Связь и бизнес, 2008г., с. 80.

37. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. "Баллистика и навигация космических аппаратов" // Дрофа, 2004г., с. 544.

38. Информационно-аналитический центр координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) ЦНИИмаш. e-mail: cnss@mss.rsa.ru.

39. Ибрагимов И.Д., Скребушевский Б.С. "О некоторых методах преобразования систем координат в задачах космической баллистики" //Полет. 2003г. №2. с.30-34.50. "Информационные спутниковые системы", № 2, октябрь 2007 г.; № 8, 2009 г.; № 10,2010 г.

40. Кадыров Т.Д., Стрелец В.А., Желтоногов И.В. "Проблемы международно-правовой защиты частотных присвоений негеостацинарных спутниковых сетей" // Электросвязь, 2002, № 9.

41. Кадыров Т.Д. "Методы расчета помех между системами спутниковой связи на негеостационарной орбите" // Электросвязь, 2004, №11.

42. Кадыров Т.Д. "Разработка комплексного метода обеспечения электромагнитной совместимости между негеостационарными системами спутниковой связи". // Москва, 2004г., с. 187.

43. Калашников Н.И. "Основы расчета электромагнитной совместимости систем связи через ИСЗ с другими радиослужбами". // Связь, 1970 г. с. 160.

44. Калашников Н.И. "Системы связи через ИСЗ" // Связь, 1969г., с. 383.

45. Камнев В.Е. "Место негеостационарных спутниковых сетей в глобальной информационной инфраструктуре" // М.: Электросвязь, №4, 2001 г.

46. Кантор Л .Я. "Универсальный показатель совместимости радиосистем" // Электросвязь, 2004 г., № 10., с. 23-25.

47. Кантор Л.Я. "Расцвет, и кризис спутниковой связи" // Электросвязь, 2007 г., № 7.

48. Кантор Л.Я. "Справочник по спутниковой связи и вещанию". // Радио и связь, 1983 г., с. 288.

49. Кантор Л.Я., Тимофеев B.B. "Спутники связи и проблемы геостационарной орбиты". //Радио и связь, 1987г., с. 167.

50. Кантор Л.Я. "Спутниковая связь и вещание: Справочник" И 2 изд., Радио и связь, 1988т.

51. Кантор Л.Я. и Ноздрин В.В. "Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи".//НИИР, 2009г. с: 280.

52. Котов В.И. "Эффективность использования радиочастотного ресурса и подходы к ее оценке1'. // Электросвязь, 2009 г., № 7., е. 16 -19.

53. Калинин В.Н., Соколов^ Б .В. "Многомодельный подход; к описанию процессов управления космическими средствами" // Теория и системы управления, 1995 г., № 1, с.56 61.67., Краснощеков И.С., Петров A.A. "Принципы построения моделей" // Изд-во МГУ, 1983 г.

54. Клир Дж. "Системология. Автоматизация решения системных, задач" // Пер. с англ., Ш: Радио и:связь, 1990 г., с. 544.

55. Кловский Д.А. "Теория электрической связи". // Радио и связь, 1998 г. с.432.

56. Кукес И.С., Старик М.Е. "Основы радиопеленгации" // Сов. Радио, 1964 г.

57. Князев А.Д. "Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств" // Радио и связь, 1984 г.

58. Лазичев A.A. "Реально-виртуальные структуры моделей сложных технических систем". // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004г. №5. с. 3-6.

59. Левин Б.Р. Шинаков Ю.С. "Совместно оптимальные алгоритмы обнаружения сигналов и оценивания их параметров (обзор)". // Радиотехника и электроника. 1977 г., № 11., с. 2239 — 2256.

60. Лобанова Л.К. "Аналитический обзор по материалам Федерального радионавигационного плана США. 2008 г."//№ 59, РИРВ, СПб, 2009г.

61. Лурье А.И. "Аналитическая механика". // М.: Физматгиз, 1961. 819 с.

62. Логинов H.A. "Актуальные вопросы радиоконтроля в Российской Федерации" // Радио и связь, 2000 г.

63. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. "Системы связи с подвижными объектами" // Радио и связь, 2002 г., с. 440.

64. Машбиц Л.М. "Зоны обслуживания систем спутниковой связи" // Радио и связь, 1982 г., с. 169.

65. Малков Н.А., Пудовкин А.П. "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств"// Учебное пособие. Таганрог. ТГТУ, 2007 г., с. 88.

66. Марпл. мл. C.JI. "Цифровой спектральный анализ и его приложения" // Мир, 1990 г.

67. Михайлов А.С. "Измерение параметров ЭМС РЭС" // Связь, 1980 г. с. 244.

68. Михайлов Н.В., Михайлов В.Ф. "Методы первичной обработки сигналов в радионавигационных приемниках космического базирования" // Гироскопия и навигация, 2009 г., № 4 (67),1 с. 35 45.87. "Новости навигации", № 4, № 7, 2007 г.

69. Охоцимский А.Д. "Будущее спутниковой навигации: системы, сигналы и их точность" // «Интеграл», № 3 (47), 2009 г., с. 13-15.

70. Павловский Ю.А. "Имитационные модели и системы" // Фазис, 2000 г.

71. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. "Введение в системный анализ" // Высшая школа, 1988 г. с. 367.

72. Переверзев С.Б., Сергеев В.Б., Сергиенко А.Р. "Средства панорамного анализа радиочастотного спектра и измерения параметров радиосигналов" // ИНФОРМОСТ. Средства связи. 2003г. № 3 (27).

73. Прангишвили И.В. "Системный подход и общесистемные закономерности" // Синтез, 2000г.

74. ЮО.Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. "Управление ориентацией космических аппаратов" //Наука, 1974 г., с. 600.101. "Руководство по испытаниям радионавигационных средств" // Международная организация гражданской авиации., 5-е издание, 2007г.

75. Самарский А.А., Михайлов А.П. "Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры" // Физматлит, 2001г.

76. Сектор радиосвязи (МСЭ-R) Главная страница МСЭ-R Электронный ресурс. - Режим доступа: [http://www.itu.int/ITU-Ryindex.asp?category=: study-groups&rlink=rsg3 &lang=ru]

77. Семенов С. А. "Методы программной реализации приемников спутниковых радионавигационных систем" 2005 г., с. 152.

78. Серебренников М.Г., Первозванский A.A. Выявление скрытых периодичностей. М.: Наука, 1965. 244 с.

79. Соловьев Ю.А. "Системы спутниковой навигации" // Эко-Трендз, 2000 г. с. 260.

80. Сорокин A.C., Сорокин Г.И. "Расчет характеристик ЭМС систем радиосвязи, работающих в общих полосах частот" Учебное пособие // Московский технический университет связи и информации, 2007 г. с. 43.

81. Скляр Б. "Цифровая связь, теоретические основы и практическое применение". // Издательский дом «Вильяме», 2004 г. с. 1104. <

82. Спилкер Дж. "Цифровая спутниковая связь" // Связь, 1979 г.

83. Смирнова А. А., Денисова Ю.В. "Спутниковые системы связи: том 49 издания" // "Технологии электронных коммутаций". 1994г.

84. П.Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. "Спутниковые сети связи: Учеб. Пособие" // «Альпина Паблишер», 2004 г., с. 536.

85. Максимов М.В. "Защита от радиопомех" // Сов. Радио, 1976 г.113. "Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне". Международный союз электросвязи. // ITU, 2005г.114. "Справочник по радиоконтролю" // МСЭ 2002г. Женева, 2004г.