Методы повышения помехозащищенности и точности радионавигационных систем с ограниченным частотным ресурсом

                                                                                                                      На правах рукописи

                                                                                                              Для служебного пользования

Экз. №

Бондаренко Валерий Николаевич

МЕТОДЫ  ПОВЫШЕНИЯ   ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ 

И ТОЧНОСТИ  РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ  СИСТЕМ

С ОГРАНИЧЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ РЕСУРСОМ

Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук

Красноярск – 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксплуатируемые в настоящее время в морской навигации радионавигационные системы (РНС) с использованием опорных передающих станций наземного базирования («Чайка», БРАС, РС-10, МАРС-75 и др.)  не позволяют в полной мере удовлетворить все возрастающие требования к качеству навигационного обеспечения по помехозащищенности, точности, доступности,  целостности и другим показателям. Глобальные высокоточные спутниковые радионавигационные системы (СРНС)  ГЛОНАСС  и GPS  также не свободны от недостатков, основным из которых является низкая помехозащищённость. Кроме того, по некоторым показателям (доступность, целостность)  спутниковые РНС не соответствуют требованиям ряда потребителей (прежде всего военных) и нуждаются в дальнейшем совершенствовании и поддержке с помощью других средств (в том числе наземных РНС).

 Диалектика развития радионавигации такова, что, несмотря на значительные успехи в нейтрализации помех путем непосредственного воздействия на их источники (совершенствование мероприятий по регламентации выделяемых частот и электромагнитной совместимости, разработка малошумящих приемных устройств и др.), требования к точности и помехозащищённости РНС растут опережающими темпами. В связи с этим одной из главных задач разработчика современной РНС является достижение требуемой помехоустойчивости, т. е. обеспечение своего рода «иммунитета» по отношению к  помехам различного происхождения. Важным направлением совершенствования современных РНС, позволяющим добиться значительного улучшения их тактических характеристик (прежде всего помехозащищенности и точности), является применение шумоподобных сигналов (ШПС), формируемых путём псевдослучайной кодовой манипуляции частоты или фазы несущего колебания передатчика. Вопросам теории и практики применения сложных сигналов посвящено большое число работ, среди которых имеются как монографии, так и журнальные статьи. Из монографий следует выделить работы Вакмана Д. Е., Варакина Л. Е., Ипатова В. П., Тузова  Г. И., Диксона Р. К.,  Журавлева В. И., Гантмахера В. Е.

В современных широкополосных РНС для формирования шумоподобных сигналов используется преимущественно фазовая манипуляция  несущего колебания двоичной кодовой последовательностью (BPSK). Примером являются спутниковые РНС ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, а также наземные РНС SILEDIS, SPOT и др.  Широкое использование фазовой манипуляции как способа формирования ШПС объясняется, в первую очередь, стремлением максимально упростить формирование и обработку сигналов в широкополосных РНС. Применительно к  РНС с ограниченным частотным ресурсом более перспективным является  класс частотно-манипулированных ШПС с непрерывной фазой и индексом манипуляции равным 0.5 – сигналы с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ) или иначе MSK (с минимальным частотным сдвигом). Шумоподобные сигналы с МЧМ намного превосходят традиционные ШПС с фазовой манипуляцией (ФМ) по спектральной эффективности и другим показателям. Применение МЧМ как способа  модуляции при передаче цифровой информации в телекоммуникационных системах на сегодняшний день широко известно (работы  Аджемова С.С.,Емельянова П.Б., Макарова С.В., Смирнова Н.И.,  Крохина В.В., Цикина Н.А. и др.). Что же касается вопросов теории и практики применения шумоподобных сигналов с МЧМ, то таких публикаций крайне мало (можно отметить работы Ипатова В.П., Кириллова С.Н., Поспелова А.В.), а единственным известным автору примером широкополосной РНС с МЧМ-сигналом является РНС GEOLOC (Франция). Поскольку  указанная РНС разрабатывалась более 20 лет назад, то в свете современных  требований она имеет ряд функциональных ограничений: отсутствие канала передачи данных о дифференциальных поправках, предназначенных для потребителей СРНС; невозможность работы в режиме автономной синхронизации без привлечения внешних источников информации о точном  времени и др.

К числу нерешённых на сегодняшний день проблем применительно к широкополосным РНС с МЧМ-сигналами относятся: разработка структуры и способа разделения сигналов с учетом необходимости организации канала передачи данных; разработка способов внешней и автономной синхронизации передающих опорных станций (ОС); синтез оптимальных алгоритмов приёма МЧМ-ШПС применительно к задачам поиска сигналов и фильтрации их параметров; исследование помехоустойчивости квазиоптимальных алгоритмов приёма МЧМ-ШПС при воздействии наиболее распространённых видов помех (в том числе преднамеренных помех). Решение указанных проблем позволяет существенно улучшить тактические характеристики морских РНС средневолнового диапазона, предназначенных для координатно-временного обеспечения кораблей и судов ВМФ: более чем в 3 раза увеличить дальность действия – для широкополосных РНС она составляет не менее 600 км независимо от времени суток; повысить помехозащищённость по отношению к преднамеренным помехам – допустимый уровень составляет более 40 дБ. Практическое применение  широкополосных РНС в морской навигации будет способствовать повышению обороноспособности страны, а также повышению эффективности координатно-временного обеспечения гражданских морских потребителей.

Целью диссертационной работы является разработка методов повышения помехозащищенности, точности и дальности действия широкополосных радионавигационных систем с ограниченным частотным ресурсом, предназначенных для координатно-временного обеспечения кораблей и судов ВМФ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи (рис. 1):

1) теоретическое обоснование предложенного способа модуляции и структуры шумоподобных сигналов, а также метода передачи данных в широкополосных РНС с ограниченным частотным ресурсом;

2) теоретическое обоснование  и исследование предложенных способов разделения сигналов в широкополосных РНС с ограниченным частотным ресурсом;

3) разработка и исследование способов синхронизации опорных и бортовых станций широкополосных РНС;

4) синтез оптимальных алгоритмов поиска, слежения за временем запаздывания и фазой шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией;

5) разработка и исследование квазиоптимальных алгоритмов поиска МЧМ-ШПС по времени запаздывания;

6) разработка и исследование алгоритмов кодовой и фазовой синхронизации опорных и бортовых станций широкополосной РНС с шумоподобными МЧМ-сигналами;

7) анализ помехоустойчивости алгоритмов поиска и фильтрации параметров ШПС с минимальной частотной манипуляцией;

8) исследование помехоустойчивости и точности измерения радионавигационных параметров (РНП) в широкополосных РНС при воздействии пространственных сигналов и нефлуктуационных помех;