14.574.21.0131

Разработка и исследование методов увеличения помехоустойчивости навигационной аппаратуры потребителя (НАП) спутниковой радионавигационной системы (СРНС), позволяющих осуществлять координатно-временные определения при воздействии комплекса помех различного вида.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
- анализ видов активных помех и возможностей противника по подавлению НАП СРНС помехами;
- исследование возможных методов защиты от помех, применяемых в НАП СРНС;
- синтез оптимальной системы пространственно-временной обработки (ПВО) навигационных сигналов в условиях воздействия помех;
- синтез временного фильтра с линейной фазочастотной характеристикой (ФЧХ) и разработка его структурной схемы;
- разработка алгоритма настройки пространственных и временных весовых коэффициентов в адаптивной антенной решетке (ААР);
- экспериментальное исследование при помощи компьютерного моделирования и натурных экспериментов разработанных методов ПВО и оценка их эффективности.

Проблема защиты СРНС от радиопомех различного происхождения возникла одновременно с созданием СРНС ГЛОНАСС. На начальном этапе создания СРНС, с учетом имеющейся элементной базы, ставилась задача создания навигационного приемника, способного решать задачу координатно-временного определения. В настоящее время СРНС ГЛОНАСС находит все более широкое применение, где одним из основных условий применения является высокая помехоустойчивость НАП.
Активные помехи, воздействующие на НАП СРНС, имеют разнообразный и сложный характер. Наиболее часто активные помехи классифицируют по ширине спектра частот – узкополосные помехи (УП), вся энергия которых сосредоточена в узкой полосе частот, много меньшей полосы частот полезного сигнала СРНС, и широкополосные (ШП), полоса частот которых больше полосы частот полезного сигнала СРНС. Требования по устойчивости НАП к различным видам помех определяются моделями помеховой обстановки.
Увеличение помехоустойчивости НАП возможно за счет применения пространственно-временной обработки сигналов. В этом случае высокую актуальность приобретает сочетание пространственной селекции на основе ААР и временной цифровой фильтрации – пространственно-временная фильтрация.
Научная новизна исследования заключается в совмещения режимов помехоподавления и определения пространственной ориентации на основе одной и той же антенной решетки.
Получены новые результаты возможности восстановления фазовых соотношений сигналов радионавигационных спутников, принятых на разные антенны после проведения адаптации, с целью достижения возможности определения пространственного ориентации объектов.

В работе проведен синтез оптимальной системы ПВО навигационных сигналов в условиях воздействия помех, синтезирован временной фильтр с линейной ФЧХ и разработана его структурная схема, разработан алгоритм настройки пространственных и временных весовых коэффициентов в ААР.

Для защиты НАП от ШП и УП предлагается использовать многоканальную ААР с ПВО сигнала. Структурная схема такой ААР представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема адаптивной антенной решетки со встроенными канальными адаптивные компенсаторы узкополосных помех (АКП/УП)

Алгоритм, предлагаемый для использования в ААР, предполагает временную обработку принятой смеси полезных сигналов и помех для подавления УП. Защита от ШП осуществляется с помощью пространственной фильтрации сигнала и помехи путем формирования провалов в диаграмме направленности (ДН) в направлении помехи. Для этого в каждом приемном канале сигнал помехи, взятый с единичным весом, суммируют с сигналами помех остальных каналов, являющихся для него компенсационными, предварительно умноженными на весовые коэффициенты WP.

Для подавления УП в каждый приемный канал встраиваются АКП/УП. Компенсаторы  построены на основе схемы фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр) подавления УП с формированием опорного канала АКП путем задержки входной смеси на интервал времени, равный интервалу декорреляции основного принимаемого сигнала при помощи многоотводной линии задержки (ЛЗ)

Схема усложненного АКП/УП, имеющего линейную ФЧХ и постоянное ЛЗ, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема адаптивного компенсатора
узкополосных помех с линейной ФЧХ

 

Для линеаризации ФЧХ используется дополнительная линия задержки ЛЗ-2, которая, в конфигурации с другими элементами, видоизменяет импульсную характеристику АКП, делая симметричной ее реальную часть и антисимметричной ее мнимую часть. Симметрия отсчитывается от средней части объединенной ЛЗ, состоящей из ЛЗ-1, ЛЗ-2 и двух ЛЗ декорреляции.

В работе проведены натурные экспериментальные исследования. На рисунке 3 представлена схема макета для экспериментальных исследований ААР.

 

Рисунок 3 – Схема макета для проведения экспериментальных исследований

При проведении эксперимента формировались две УП мощностью минус 85 дБВт с выхода антенн НАП. Мощность имитированного гармонического сигнала составляла минус 160дБВт. При осуществлении компенсации помех методом пространственной фильтрации сигналов коэффициент подавления составил порядка 40 дБ. Подавление одной ШП и трех УП методами пространственной фильтрации неэффективно – коэффициент подавления ШП составил 10…15 дБ, УП практически не подавляется. При использовании методов пространственно-временной фильтрации коэффициент подавления составил более 40 дБ как ШП, так и УП (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Спектры сигналов до и после применения алгоритма пространственно-временного компенсатора помех

Результаты экспериментальных исследований точностных характеристик макета многоканального ГНСС-приемника показали, что разработанные в ходе выполнения ПНИ методы высокоточной навигации и измерения пространственной ориентации обеспечивают заданную точность позиционирования и измерения пространственной ориентации в условиях помех.

Разработан алгоритм пространственно-временной обработки сигналов, основанный на использовании пространственных и временных методов фильтрации и позволяющий осуществлять одновременное подавление узкополосных и широкополосных помех.

Предложен метод коррекции неидентичностей фазовых характеристик и межканальной задержки сигналов в приемных каналах НАП с использованием выравнивающих фильтров.

Разработана структура адаптивного режекторного фильтра с симметричной реальной частью передаточной функции и антисимметричной мнимой, что позволяет получить линейную фазочастотную характеристику.

Разработан новый алгоритм настройки пространственных и временных весовых коэффициентов в адаптивной антенной решетке, осуществляющий удержание максимума диаграммы направленности в заданном направлении.

Результаты исследований использованы при выполнении опытных конструкторских работ «Орт», «ГЛОНАСС-КК-Н», «Сфера» и прикладных научных исследований «Технология создания высокоточного определения навигационных параметров объектов в условиях действия помех различного происхождения с использованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС» (Соглашение о предоставлении субсидии от «28» ноября 2014 г. № 14.574.21.0131 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы»). Также результаты исследований использованы в учебном процессе и Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ).

Результаты могут быть востребованы в различных отраслях науки и техники, научными и производственными организациями и использованы для проведения ОКР, направленных на создание нового поколения отечественных навигационных приемников, обеспечивающих навигационно-временные измерения и определение пространственной ориентации объектов в условиях сложной помеховой обстановки, а также модернизации помехоустойчивых высокоточных беззапросных измерительных систем наземного комплекса контроля и управления СРНС ГЛОНАСС.

Результаты, полученные ходе выполнения ПНИ, защищены тремя свидетельствами о регистрации программ ЭВМ. Основы разработанных методов и результаты их исследования опубликованы в изданиях Скопус.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в Сибирском государственном аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) соглашение № 14.574.21.0131 предоставлении субсидии, уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57414X0131.

Теоретическая значимость исследования заключается в дальнейшем развитии теории цифровой фильтрации на основе пространственных и временных методов обработки сигналов, расширяющем границы их применения.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что применение разработанных методов позволяет увеличить помехоустойчивость НАП СРНС и производить координатно-временные определения при воздействии набора УП и ШП. Коэффициент подавления при использовании разработанного метода ПВО составляет до 50 дБ.