Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

Наука и военная безопасность, №2/2004, стр.41-43

Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

Полковник И.М. БЫКОВ, председатель научно-технического комитета

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

кандидат технических наук, доцент

Подполковник И.В. МИТЯНОВ ,профессор кафедры разведки и РЭБ

Военной академии Республики Беларусь, кандидат технических наук

Подполковник С.В. ЖИБУЛЬ, старший преподаватель кафедры разведки и РЭБ

Военной академии Республики Беларусь

Спутниковая радионавигационная система (СРНС) GPS (Global Positioning System), созданная по заказу министерства обороны США, предназначена для глобального, высокоточного и устойчивого к различным воздействиям, непрерывного в реальном масштабе времени, пассивного навигационно-временного обеспечения (НВО) средств и систем вооружения любого варианта базирования - наземного, морского, воздушного и космического

С технической точки зрения, СРНС GPS является совершенной радиотехнической системой, реализующей передовые методы радионавигации, скрытые и помехоустойчивые способы передачи высокоточной временной, эфемеридной и другой информации, высокопроизводительные программно-аппаратные методы ее обработки, оперативные способы контроля и управления сложными пространственно разнесенными объектами.

Создание СРНС GPS началось в 1973 году после решения МО США о свертывании специализированных программ ВМС Timetion и ВВС 621В. Полное развертывание СРНС GPS намечалось осуществить в три этапа, реализация которых предполагалась в 1974-1978, 1978-1981 и 1982-1987 годах соответственно. Однако, по мере разработки СРНС GPS, ввиду объективного наличия целого ряда трудностей при создании отдельных элементов системы, сроки выполнения этапов и особенно затраты существенно корректировались.

В 1994 году орбитальная группировка системы была развернута до полного состава, и СРНС GPS начала функционирование на максимуме своих технических возможностей [6].

К настоящему времени СРНС GPS рассматривается военно-политическим руководством США как основная стратегическая навигационная система, вопросам совершенствования которой уделяется огромное внимание. Целью всех мероприятий по совершенствованию системы является воспрепятствование будущему противнику США и его союзникам в использовании СРНС GPS и обеспечение военного превосходства США в навигационной сфере. Ярким подтверждением этому является создание в структуре МО США Управления навигационной войны (УНВ), на которое возложены задачи по формированию концепции навигационной войны и ее реализации [4,5].

Информация о системе GPS в последнее время публикуется во многих изданиях [7 - 9], в том числе и на сайтах сети Internet [10, 11]. Приведенные в них сведения о системе GPS носят зачастую отрывочный характер, не отличаются полнотой и глубиной анализа всех особенностей построения и функционирования системы GPS и способствуют, в ряде случаев, формированию ошибочных представлений о ее истинных технических возможностях.

Целью настоящей статьи является анализ текущего состояния, систематизация и обобщение направлений совершенствования СРНС GPS с учетом существующих и перспективных планов по ее развитию.

Общие сведения о системе GPS

Система используется для навигационно-временного обеспечения (НВО) боевых действий всех видов вооруженных сил в тактическом, оперативно-стратегическом и стратегическом звеньях систем управления войсками и оружием. Она обеспечивает высокоточное определение текущих координат и скорости движения объектов любого типа, решение задач по определению координат объектов удара; повышение эффективности существующих и разрабатываемых систем управления оружием и войсками; решение задач целераспределения, целеуказания и наведения стратегических, оперативно-тактических и тактических ракет класса "земля - земля", "воздух - земля" и другого управляемого оружия на военные и промышленные объекты с известными координатами; привязку к единой системе координат подразделений сухопутных войск (СВ); передачу сигналов единого времени и синхронизацию автоматизированных систем передачи данных и других задач, в том числе и в интересах гражданских потребителей [6].

В системе GPS применен дальномерно-доплеровский способ местоопределения, а измеряемыми радионавигационными параметрами являются задержка и допле ровское смещение частоты принимаемого навигационного сигнала (НС) относительно его модели.

В системе предусмотрено два уровня обслуживания - служба точного позиционирования (PPS) и служба стандартного позиционирования (SPS) [4].

Служба точного позиционирования позволяет осуществлять высокоточное определение составляющих вектора скорости и координат потребителя. Она предназначена только для военных целей и имеет ограниченный доступ. Разрешение использовать PPS дается американским департаментом по обороне. Полный доступ к PPS имеют американские, натовские военные и другие выбранные пользователи. PPS дает точности определения: расстояния - не более 22 м в горизонтальной плоскости и 27 м в вертикальной плоскости, скорости - до 0,2 м/с и времени - не более 200 нс. Данная служба использует высокоточный дальномерный код - Р(Y)-код.

Служба стандартного позиционирования использует дальномерный код стандартной точности - С/А-код и доступна всем пользователям системы GPS. До 2000 г. SPS управлялась с помощью режима селективного доступа (SA), что обеспечивало следующие характеристики точности определения: расстояния - не более 100м в горизонтальной плоскости и 156 м в вертикальной плоскости, скорости - до 1 м/с и времени - не более 340 нс. В 2000 г. режим SA решением конгресса США был выключен, что позволило для гражданских пользователей реализовать точности определения: расстояния - не более 40 м в горизонтальной плоскости и 56 м в вертикальной плоскости, скорости - до 0,5 м/с и времени - не более 200 нс. Режим селективного доступа в GPS технически предусмотрен и может быть включен в военное время, причем степень загрубления точности измерений может регулироваться.

В состав СРНС GPS входят три взаимосвязанные подсистемы: космических аппаратов (КА), контроля и управления, навигационной аппаратуры потребителей (НАП).

Подсистема космических аппаратов предназначена для непрерывной передачи на Землю навигационной и специальной информации. Орбитальная группировка развернута полностью и с 1994 года насчитывает 24 оперативных КА на круговых орбитах, размещенных в шести орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 600, с равномерным распределением спутников в каждой плоскости (рис. 1).

В настоящее время основу орбитальной группировки КА составляют модели Block-IIR, которые отличаются большой длительностью периода автономного функционирования (без контакта с Землей). Повышение автономности работы достигается за счет более точного прогнозирования погрешностей координатно-вре-менного обеспечения КА на коротких и длительных интервалах работы с целью их компенсации. Это обеспечивается запоминанием в бортовом компьютере большого количества данных. Планируемый срок надежного функционирования КА этого типа составляет 7 - 10 лет. Основная особенность этих КА - возможность межспутниковых измерений и обмена информацией между спутниками с целью достижения длительной (180 суток) автономной работы со стандартной точностью НВО.

В состав аппаратуры КА входят передатчики НС, приемопередатчики линии передачи данных на КА и командно-телеметрической линии, атомные стандарты частоты (часы), бортовая ЭВМ. Передатчики НС предназначены для формирования и передачи на Землю потребителям навигационной и специальной информации, используемой для определения текущих координат, скорости движения и текущего времени.

Для исключения ионосферной рефракционной ошибки предусмотрено излучение НС на двух когерентных несущих частотах L1 и L2. Сигнал на частоте L2 служит для коррекции ошибок измерений по сигналу, излучаемому на частоте L1. На частоте L1 излучается два квадратурных сигнала: защищенный (Р - Protected) для военных потребителей и открытый (С/А - Clear Acquisition) для гражданских. На частоте L2 излучается только защищенный сигнал. Поэтому устранение ионосферной погрешности возможно только для военных потребителей.

Код Р представляет собой псевдослучайную последовательность с периодом повторения приблизительно одна неделя. Скорость передачи информации - 50 Бит/с. Защищенные сигналы, подвергшиеся шифрованию, имеют наименование Р(Y)-сигналов. Код С/А представляет собой код Голда с периодом 1 мс. Зашифрованный Р(Y)-код получается путем криптографического шифрования Р-кода специальным Y-кодом. Работа с Р(Y)-кодом возможна только с использованием криптографических ключей, поставляемых санкционированным пользователям специальным подразделением АНБ. Основные тактико-технические характеристики СРНС GPS представлены в табл. 1.

Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

Разделение излучений КА - кодовое, каждый из них излучает свой индивидуальный код. Разделение сигналов одного КА, излучаемых на частоте L1, фазовое со сдвигом ТС/2. Навигационный код образуется путем сложения по модулю 2 дальномерного кода (P(Y) - для военных потребителей и С/А - для гражданских) и кода двоичной служебной информации.

Эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) сигнала с Р-кодом составляет на частоте L1 - 23,8.. .25 дБВт, на частоте L2

- 19,7...22,3 дБВт. Для открытого сигнала ЭИИМ составляет 26,8.. .28 дБВт. Для излучения НС используется антенная решетка, диаграмма направленности которой обеспечивает охват всей видимой с КА поверхности земного шара.

По линии передачи данных на КА поступают команды и специальная информация для формирования НС, передаваемого потребителям. Эта информация содержит:

данные для расчета поправок на скорость распространения сигнала;

коэффициент поправок на параметры моделей часов КА;

данные для уточнения прогнозируемых опорных эфемерид КА и др.

По каналам телеметрии на наземный комплекс контроля и управления поступает информация о состоянии и режимах работы аппаратуры КА.

Подсистема контроля и управления предназначена для: определения параметров движения КА; контроля СОСТОЯНИЯ установленной на ней аппаратуры; согласования бортовой и наземной шкал времени; передачи на КА специальной служебной информации (эфемеридных данных, поправок и т.д.), которая закладывается в память бортовой ЭВМ и используется для формирования навигационных сигналов (рис. 2).

Контрольные станции принимают НС, излучаемые КА, и определяют дальности до КА, их скорости и ускорения. Основное назначение КС - определение эфемерид КА и ошибок бортовых часов, а также проведение метеорологических измерений с целью вычисления поправок на условия распространения радиоволн. Параметры орбит КА и поправки бортовых часов прогнозируются на две недели вперед.

Навигационная аппаратура потребителя производит прием навигационного сообщения, выбор не менее четырех КА из 5 -12, прием и обработку дальномерных сигналов, обработку измеряемых навигационных параметров и эфемеридно-временных данных для определения пространственных координат, составляющих скорости движения подвижных носителей НАП и точного системного времени. Местоположение носителя НАП определяется путем решения системы уравнений с использованием дальностей до выбранных КА системы (вычисляются посредством измерений временных сдвигов принимаемых дальномерных кодов относительно генерируемых в НАП) и информации принятых навигационных сообщений (данные о местоположении КА, системном времени и вычисленной поправки к шкале времени стандарта частоты НАП) [1-3].

Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

С целью повышения точности и надежности навигационных измерений в СРНС GPS используется дифференциальный режим. Этот режим предполагает расчет разности навигационных параметров между измеренными и рассчитанными в контрольно-корректирующей станции для видимых КА и их передачу на НАП, где они вычитаются из измеренных в НАП параметров. Корректирующая информация в широкозональной дифференциальной системе EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) передается потребителям через геостационарные связные КА INMARSAT-3, оборудованные передатчиками НС, аналогичными тем, что используются в КА системы GPS. Точность определения координат EGNOS - 2.5… 5 м, размер рабочей зоны - 5000 км.

Контроль целостности СРНС GPS

Нормальное функционирование СРНС зависит от многих факторов - таких, как своевременная закладка эфемеридной информации, периодическая коррекция часов КА, контроль за работоспособностью всех устройств КА, своевременная корректировка орбит КА и т.п. Все эти факторы в той или иной степени влияют на точность НВО и целостность СРНС. Закладка оперативной информации на КА осуществляется один раз в 24 часа. В промежутке между закладкой информации наземный сегмент осуществляет оперативный контроль за функционированием КА. Однако он не может осуществляться непрерывно из-за ограниченного времени видимости НС наземным сегментом. Поэтому контроль целостности (КЦ) осуществляется всеми доступными способами: наземным ПКУ; геостационарными спутниками; аппаратурой КА и других радионавигационных систем с последующей передачей информации о целостности КА потребителям; собственно в НАП.

Ситуации, когда КА нельзя использовать при НВО, можно разделить на две категории: легкообнаруживаемые и труднообнаруживаемые. К первым относятся:

- пропадание сигнала от КА;

- искаженная структура сигнала, не позволяющая НАП войти в синхронизм с КА;

- наличие в навигационном (служебном) сообщении КА признака запрета использования информации от данного КА для НВО и т.п.

В навигационном сообщении в первой строке кадра передается параметр "Состояние КА", характеризующий итоговое состояние навигационных данных (0 - хорошие, 1 - некоторые или все данные плохие) и 32 состояния компонент-сигнала. Такими состояниями могут быть: все сигналы в норме; все или один из сигналов слабые; сигналы не модулируются данными; отсутствие сигнала на одной или обеих частотах; КА временно не работает или не будет работать и т.п. Эта информация повторяется в строках 4-го и 5-го кадра совместно с альманахом i-го КА и в каждой 25-й странице суперкадра, содержащей совокупную информацию о состоянии всех КА, что увеличивает избыточность, а значит и надежность.

К труднообнаруживаемым ситуациям относятся отказы КА, внешнее проявление которых отлично от приведенных выше. Под отказом КА понимают излучение КА такого сигнала, радионавигационные параметры (РНП) которого приводят к ошибкам в НВО. Отказы данного типа могут иметь следующие внешние проявления:

- сдвиг шкалы времени (ШВ) КА;

- дрейф частоты опорного генератора спутника;

- дрейф несущей частоты у излучаемого сигнала;

- сход КА с орбиты;

- неверная эфемеридная информация и др.

Аналогичное проявление будет при включении режима SA. С точки зрения РНП сдвиг ШВ КА непосредственно сказывается на значении псевдодальности, дрейф частоты опорного генератора проявляется сначала в доплеровском сдвиге частоты и только через некоторое время в значении псевдодальности, дрейф несущей частоты у излучаемого сигнала сказывается в значениях как псевдодальности, так и доплеровского сдвига частоты и т.д. При возникновении данных отказов резко (до 100 м и более) возрастает ошибка измерения координат.

Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

Для военных потребителей СРНС целостность навигационной информации является критичным параметром. Нарушение целостности может иметь место при использовании постановщиков имитационных помех (например, псевдоспутников, излучающих НС с ложной эфемеридной информацией). Такие помехи возможны только по C/A коду, так как структура сигналов P(Y)-кода неизвестна неавторизованным пользователям, а C/A код является вспомогательным и в большинстве военных приемников он пока используется при обнаружении и для слежения (в течение нескольких секунд) до установления синхронизма с P(Y)-кодом. Прием сигналов от ложных спутников может значительно увеличить ошибки определения координат. Поэтому в системе предусмотрены меры по выявлению ложных сигналов и исключению их из процесса НВО. Одним из механизмов является автономный контроль целостности (АКЦ) - по требованиям ICAO все авиационные приемники должны включать алгоритм автономного контроля целостности (RAIM - receiver autonomic integrated monitoring). Назначение алгоритма - выявление сигналов от КА с некоторыми типами неисправностей, которые проявляются в отклонении моментов их излучений от выделенных в шкале системного времени системы GPS. Режим АКЦ позволяет выявлять и преднамеренные имитационные помехи, отличающиеся от полезного сигнала моментом прихода.

Выявление сигналов от ложных КА (при достаточно больших отклонениях в параметрах) возможно также на этапе захвата сигнала в режимах «перезахвата» и "горячего старта". В данных ситуациях приближенно известны координаты и время захватываемого спутника (при знании навигационного альманаха), поэтому в НАП можно рассчитать параметры (момент прихода) сигнала и тем самым сразу отсечь прием сигнала от ложного КА.

В настоящее время КЦ в СРНС осуществляется следующими способами:

- в аппаратуре КА;

- наземным сегментом контроля и управления;

- автономно (т.е. в аппаратуре потребителя - АКЦ).

Реализация контроля целостности в аппаратуре КА требует до 1 мин. для закладки информации о нецелостности в сообщение КА, что не удовлетворяет требованиям по времени оповещения. Кроме того, существует вероятность того, что схема самоконтроля бортовой аппаратуры КА будет неисправной и не выдаст сообщения о нецелостности.

Контроль целостности наземным сегментом контроля и управления.

Наземные КС принимают сигналы от всех видимых КА (измеряют псевдодальности до видимых КА каждые 1,5 с и передают их на ГСУ каждые 6 секунд) и формируют тестовую статистику для каждого КА. При превышении в тестовой статистике какого-либо КА определенного порога ошибок информация об этом поступает на ГСУ, а с нее потребителям [13]. Для передачи этой информации предусмотрен отдельный канал - канал целостности GPS. Такой канал может быть организован как с ГСУ, так и с КА (например, через два-четыре геостационарных связных ИСЗ или ИСЗ наблюдения за погодой). Для реализации функции контроля целостности СРНС может использоваться канал передачи дифференциальных поправок, по которому КС передает информацию о целостности КА. Если же эта станция будет излучать сигнал, аналогичный по структуре сигналам КА, то ее можно использовать в качестве псевдоспутника, что позволяет получить дополнительную избыточность.

Тактико-технические характеристики СРНС GPS

Таблица 1

Характеристики

Значения

Количество навигационных КА (видимых)

24 (5...12)

Число орбитальных плоскостей и КА в них

6/4

Высота орбиты, км

20 180

Наклонение орбиты, град

55

Период обращения КА

11 ч 58 мин.

Виды излучаемых сигналов

открытый С/А-код закрытый Р(Y)-код

Рабочие частоты, МГц

L1=1575,42 (C/A,P(Y)) L2= 1227,6 (P(Y))

Вид модуляции

ФМн (0-180)

Тактовая частота ПСП, МГц

10,23 (P(Y)) 1,023 (С/А)

Период повторения ПСП

1 мс (С/А), 7 суток P(Y)

Ширина спектра сигнала, МГц по уровню минус 3 дБ по первым нулям

1,023 (С/А), 10,23 (P(Y)) 2,046 (С/А), 20,46 (P(Y))

Мощность передатчика, Вт

32 (L1,С/А); 16(L1,P(Y)) 8 (L2>(Y))

Поляризация

правосторонняя круговая

Дистанция связи, км

20 180...26 000

Коэффициент усиления антенны КА, дБ

14...18

Коэффициент усиления антенны НАП, дБ

0...2

Автономный контроль целостности

Методы АКЦ можно условно разделить на внешние и внутренние.

Внешние методы используют избыточную информацию от других навигационных устройств и систем, имеющихся в наличии у потребителя, и предполагают комплексную обработку навигационной информации от приемника СРНС и других навигационных устройств и систем. Среди данной группы методов можно отметить: комплексирование с высотомером; высокостабильным стандартом частоты; с инерциальной системой навигации (ИНС); с радиотехническими системами ближней и дальней навигации и др.

Внутренние методы используют избыточность информации собственно СРНС, например, обрабатывая в НАП сигналы не четырех, а пяти и более КА.

Перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

Совершенствование космического сегмента

При минимально необходимом составе орбитальной группировки в 24 КА в настоящее время на орбитах находится 28 КА, а в ближайшее время их количество возрастет до 30...32. Эти мероприятия проводятся с целью повышения надежности работы системы в условиях ограниченной видимости (городские застройки, горная местность и т.д.).

С целью удовлетворения потребностей гражданских потребителей в повышении точности НВО за счет компенсации ионосферных ошибок разработана новая модель КА -Block-IIR-M, который будет излучать сигнал с С/А-кодом как на частоте L1, так и на частоте L2. Кроме того, КА будет излучать новый сигнал с М-кодом, предназначенным для военных потребителей. Запуск первого спутника осуществлен в 2003 г.

С 2005 г. планируется начать запуски новой модели КА - Block-IIF. Эти КА будут излучать дополнительный сигнал на частоте L2 (f5= 1176,45 МГц), обладать возможностью противодействия другим РНС (например, ГЛОНАСС), обеспечивать региональный отказ в обеспечении потребителей навигационно-временной информацией и выдавать информацию о запрете использования открытого канала. Кроме того, предусматривается возможность проведения межспутниковых измерений и их обработки в бортовом процессоре, в результате чего будут формироваться поправки к системному времени и эфемеридам, а также обмен информацией между КА с целью достижения длительной (до 180 суток) автономной работы. Для этого каждый КА будет иметь линии связи со всеми другими (в зоне видимости) КА. К 2010 г. планируется запустить 12 КА модели Block-IIF.

Дальнейшая модернизация космического сегмента планируется на период 2010...2030 гг. и связана с разработкой КА нового поколения - Block III. В 2000 г. МО США заказало НИР на разработку и обоснование новых требований к КА Block III. Одним из основных требований было увеличение мощности излучаемых сигналов с новым М-кодом в направлении ограниченных географических регионов. Рассматривается вариант установки на КА антенны с управляемой диаграммой направленности. Это позволит повысить уровень сигнала на 20 дБ и сконцентрировать излучение по крайней мере четырех КА на районе боевых действий без заметного снижения уровня сигналов в других регионах земного шара.

Модернизация всех компонентов СРНС GPS ведется постоянно. И в первую очередь это касается используемых в системе сигналов и частот. Так, в 1998 году исполнительный совет программы GPS принял решение о добавлении еще одного открытого сигнала на частоте 1227,6 МГц, аналогичного сигналу на частоте L1 а также добавлении новой частоты L5=l176,45 МГц. Это позволит достичь точности определения местоположения гражданской НАП 5...10м.

Новые радиосигналы с М-кодом для военных потребителей Одной из серьезных задач было обеспечение полного разделения сигналов военных и гражданских потребителей. Обусловлено это тем, что в случае радиоподавления С/А-кода помехе будет подвержен, при очень большой мощности помехи, также и Р(Y)-код. Очевидно, что простейшее решение состоит в разносе сигналов военных пользователей и С/А-кода по частоте. После длительных исследований для военных потребителей был предложен новый сигнал с М-кодом [4,5,12]. Главная особенность спектра М-сигнала - наличие провала на центральной частоте, т.е. как раз там, где расположен максимум спектра С/А и Р-кода. В результате этого помеха с шириной спектра ~2 МГц (~20 МГц) может иметь мощность, достаточную для подавления С/А-кода (Р-кода), но практически не оказывать воздействия на М-сиг-нал (ослабление воздействия такой помехи возможно более, чем на 30 дБ). Спектры сигналов М-кода, Р-кода и С/А-кода приведены на рис. 1. Максимумы спектра М-сигнала приходятся на частоты +/-10 МГц относительно несущей. Ширина спектра, рассчитанная по краям главных лепестков спектра, равна 30 МГц. Это больше чем у защищенного сигнала с Р-кодом (20 МГц).

Новый радиосигнал на частоте Ls

К сигналу L5 (f5 = 1176,45 МГц) предъявлены три основных требования: способность его непосредственного захвата; наличие когерентной спектральной компоненты, свободной от данных; возможность улучшения битовой и символьной синхронизации в приемнике НАП.

Базовая структура сигнала L5 аналогична структуре сигнала L1: используется двоичная фазовая манипуляция на π дальномерным кодом, с наложенным на него потоком навигационных данных. Сигнал L5 является двухкомпонентным сигналом, одна компонента (синфазная) модулируется данными, а другая (квадратурная) - нет. Обе излучаемые компоненты имеют равные мощности на входе НАП. Минимальное значение мощности каждого из сигналов равно - 157 дБВт, что на 3 дБ выше мощности сигнала с С/А-кодом, излучаемого в диапазоне.

Каждая компонента модулируется синхронизированными между собой новыми дальномерными кодами. Синфазная компонента далее модулируется потоком навигационных данных со скоростью 100 бит/сек. Квадратурная компонента не имеет такой модуляции.

Для предотвращения взаимного влияния в компонентах используются разные дальномерные коды - I и Q. Поэтому слежение за сигналами может выполняться независимо, хотя намного более простым является слежение только за сигналом Q.

Так как исходный поток данных на КА формируется со скоростью 50 бит/с, то для согласования скоростей поток данных в синфазной компоненте подвергается дополнительному помехоустойчивому сверточному кодированию со скоростью 1/2.

Преимущество использования свободного от данных сигнала Q заключается в возможности выполнять слежение за сигналом на полном периоде несущей частоты и обеспечивает более узкую полосу пропускания тракта додетекторной обработки. Слежение на полном периоде удваивает пороговое значение ошибки слежения системы ФАП, что снижает пороговую мощность сигнала на 6 дБ. Из-за отсутствия в данном канале потока навигационных данных, требующих полосы пропускания не менее 50 Гц, полоса пропускания додетекторного тракта ФАП определяется полосой петли слежения, которая может быть намного меньше 50 Гц. Это обеспечивает дополнительное уменьшение пороговой мощности сигнала, а следовательно, повышение помехоустойчивости НАП.

Таблица 2.

Существующие и планируемые мощности сигналов на входе антенны НАП

Частота излучения. Тип кода

Минимальная мощность сигнала на 2001 г., дБВт

Планируемая минимальная мощность сигнала, дБВт

Планируемая максимальная мощность сигнала, дБВт

L1, С/А-код

-159,6

-159,6

-153,0

L1, P(Y)-код

-162,6

-160,0

-153,0

L2, С/А-код

-

-160,0

-154,0

L2,P(Y)-код

-165,2

-159,5

-152,3

L5,I-сигнал

-

-157,0

-150,0

L5, Q-сигнал

-

-157,0

-150,0

L1, М-код

-

-158,0

-151,0

L2, М-код

-

-158,0

-151,0

Корреляционные свойства дальномерных кодов сигнала L5

Для 37 НС были выбраны 74 кода (37 I-кодов и 37 Q -кодов) на основе анализа их авто- и взаимно-корреляционных свойств. Уровни боковых пиков корреляционных функций минимум на 10 дБ ниже, чем для C/A - кодов. Для рассматриваемых I- и Q- кодов 73 кода обладают идеальным балансом, что обеспечивает большую устойчивость к ряду помех.

Дополнительное кодирование в сигналах L5

Оба сигнала I и Q дополнительно модулируются кодами Неймана-Хоффмана (NH-кодами). Структуры данных кодов фиксированы, известны и одинаковы для всех КА. Кроме снижения проблем битовой и символьной синхронизации в НАП, применение этих кодов снижает эффективность воздействия узкополосной помехи. Это обусловлено тем, что мощность каждой из спектральных линии ПСП, следующих с частотой 1 кГц, в результате дополнительной модуляции NH-кодами распределяется в полосе частот шириной 100 Гц, снижая тем самым плотность мощности спектральных линий I-кода на 10 дБ. Поэтому при возникновении на выходе коррелятора биений помеха-сигнал, спектральные характеристики которых существенны для работы следящих систем, их мощность оказывается значительно ниже, чем в случае использования сигнала без NH-кода.

Вторым преимуществом введения кодов Неймана-Хоффмана является то, что они улучшают взаимно-корреляционные свойства сигналов разных КА. Уровни взаимной корреляции сигналов уменьшаются минимум на 3дБ, а в среднем - на 10…. 13 дБ.

Повышение мощности излучаемых сигналов

После вывода на орбиту новых типов КА мощность излучений увеличится на всех частотах, причем для гражданских потребителей - на 3… 6 дБ, для военных - на 6…. 10 дБ [12]. Первоначально мощность сигнала на частоте будет больше на 6 дБ (по 3 дБ для сигналов I и Q) по сравнению с мощностью сигнала С/А-кода на частоте L5, мощность излучения сигнала С/А-кода на частоте L1 составит на входе НАП 160 дБВт, а мощность излучения сигнала Р(Y)-кода на этой частоте будет увеличена на 6 дБ. В табл. 2 приведены существующие и планируемые мощности сигналов на входе НАП.

Существенное повышение возможностей системы GPS обеспечивается при ее совместном использовании с СРНС ГЛОНАСС. Увеличение точности определения местоположения обуславливается увеличением числа видимых ИСЗ. Если в дифференциальном режиме точность измерения возрастает в 1.3-1.5 раза, то использование сигналов системы ГЛОНАСС повышает точность почти в 3 раза. В настоящее время совмещенная GPS/ГЛОНАСС НАП типа ТТ5300, Ashtech Falcon GG12, GNSS-200 разработана фирмами MAGELLAN, ASHTECH, DASA, 3S Navigation и др.

Направления совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

В связи с высокой значимостью СРНС GPS и учитывая возрастание роли радионавигации в обеспечении боевых действий, военные специалисты США прорабатывают вопросы повышения ее боевой устойчивости в реальной обстановке при огневом и радиоэлектронном воздействии. Анализ исследований и разработок, проводимых в США по созданию и модернизации СРНС GPS, а также результатов испытаний опытных образцов НАП показал, что для повышения устойчивости этой системы работы ведутся по следующим направлениям:

выведение на орбиты резервных КА;

заблаговременное создание резерва КА, носителей и космических буксиров на космодромах;

увеличение срока автономного функционирования подсистемы КА за счет применения высокоточных стандартов частоты на основе водородных лазеров, а также введения режима независимого прогнозирования эфемерид на борту КА;

повышение защищенности КА от поражающих факторов ядерного и лучевого оружия;

разработка маневрирующих навигационных космических аппаратов;

разработка мобильных вариантов элементов наземной подсистемы контроля и управления;

совершенствование аппаратуры потребителей навигационной информации.

Окончательная реализация этих работ предполагается в период 2000 - 2010 гг.

Предполагаемые направления совершенствования подсистемы КА значительно повышают устойчивость СРНС к огневому поражению КА, а увеличение продолжительности режима автономного функционирования подсистемы КА практически исключает возможность борьбы с СРНС способом радиоподавления радиолиний подсистемы контроля и управления.

Состояние, возможности и перспективы совершенствования спутниковой радионавигационной системы GPS

По результатам испытаний и опытной эксплуатации СРНС GPS проводится ряд организационно-технических мероприятий, направленных на улучшение характеристик НАП, повышение ее помехозащищенности (ПЗ). Защита от помех на аппаратурном уровне обеспечивается оптимизацией алгоритма обработки НС и использованием специальных мер ПЗ. Классификация НАП по уровню ПЗ, оцениваемому коэффициентом радиоподавления Кп, приведена на рис. 4 [1,3]. Под Кп понимается отношение мощности помехи к мощности сигнала на входе приемника НАП, при котором обеспечивается срыв функционирования НАП.

В период до 2010 г. можно ожидать следующие мероприятия по совершенствованию СРНС GPS, существенно повышающие устойчивость НАП:

- комплексирование, особенно на высокодинамичных объектах, НАП СРНС GPS с автономными средствами навигации, в частности, с ИНС, что позволяет довести ширину полосы пропускания узкополосных элементов следящих систем приемных устройств НАП до полосы пропускания стационарной аппаратуры. Это позволит существенно (на 10 - 15 дБ) повысить ПЗ приемных устройств НАП подвижных объектов и приблизить ее к ПЗ стационарной аппаратуры [3];

- комплексирование АП СРНС GPS c интегральными системами (ИС) связи, навигации и опознавания типа PLRS и JTIDS, используемых для навигационно-временного обеспечения (НВО) и передачи данных в контурах ВТО. Комплексное использование указанных систем значительно повышает точность и надежность НВО потребителя. Обе системы могут работать в единой временной шкале, что обеспечивает, с одной стороны, синхронизацию временных эталонов ИС точным временем СРНС и повышение точности навигационных определений в ИС, а с другой стороны, используя информацию относительной навигации, приемник СРНС может быстрее входить в режим слежения за НС в случае срыва из-за помех или по другим причинам, т.к. терминалы ИС будут способны поддерживать временную синхронизацию и навигационные данные для абонентов на это время;

- повышение стабильности стандартов частоты в НАП, что также позволит добиться сужения шумовой полосы следящих устройств НАП и, следовательно, повысить ее ПЗ;

- использование на наиболее важных военных объектах НАП с адаптивной антенной решеткой, способной осуществлять пространственную селекцию помех.

Проведенный анализ принципов построения и функционирования СРНС GPS позволяет выделить следующие существующие и перспективные организационно-технические меры, направленные на повышение ее помехозащищенности:

1. Использование в СРНС GPS широкополосных сигналов с большой базой (период около 7 суток) и нелинейной процедуры засекречивания сигналов, излучаемых КА системы, приводит к невозможности разведки тонкой структуры сигнала и, следовательно, резко сужает круг возможных видов помех системе, в основном, до класса маскирующих (шумовых) помех.

2. Кодовое разделение сигналов, излучаемых различными КА (начальные фазы кодов, излучаемых КА на одной частоте, сдвинуты друг относительно друга), затрудняет выделение и разведку параметров сигнала отдельного КА.

3. Низкая скорость передачи информации (50 бит/с) при широком спектре излучаемого сигнала (20 Мгц) обеспечивает большую базу ШПС -56 дБ, что требует значительной энергетики маскирующих помех, которые необходимо излучать в широкой полосе. Кроме того, широкий спектр излучаемого сигнала обеспечивает узкие пики автокорреляционной функции, что делает практически невозможным создание ретранслированной и имитационной помех.

4. Повышение мощности излучаемых сигналов приводит к необходимости адекватного увеличения энергетических затрат при создании помех НАП.

5. Использование (в перспективе) трех частот излучения навигационных сигналов и трех типов кодов одновременно. Применение этих мер приводит к необходимости одновременного создания помех на нескольких несущих, разнесенных на величину порядка 400 МГц, и формирования нескольких видов помех.

6. Использование в НАП технических мер повышения ПЗ, в частности, для защиты от узкополосных помех, дополнительной модуляции принятых НС специальными Т и NH-кодами.

7. Комплексирование НАП СРНС GPS с другими радиоэлектронными системами (автономные средства навигации, интегральные системы связи, навигации и опознавания) позволяет повысить не только помехозащищенность приемных устройств НАП подвижных объектов, но и точность и надежность навигационно-временных определений.

8. Использование механизма автономного контроля целостности с целью выявления сигналов от КА с некоторыми типами неисправностей, от ложных спутников, а также преднамеренных имитационных помех и их исключения из процесса навигационно-временных определений. Механизм основан на выявлении отклонений в значениях ряда параметров сигналов (момент излучения, момент прихода, ожидаемый доплеровский сдвиг и др.) от выделенных в принятом альманахе. Выявление сигналов (при больших отклонениях в параметрах) возможно также на этапе захвата сигнала в так называемом режиме перезахвата, а также "горячего старта11.

9. Применение на наиболее важных военных объектах НАП с адаптивной антенной решеткой, способной осуществлять пространственную селекцию помех с глубиной режекции помех до 30 дБ.

10. Пассивный режим работы потребителей и связанное с этим отсутствие демаскирующих излучений повышают скрытность работы аппаратуры потребителей и приводят к необходимости их зонального подавления.

11. Использование новых сигналов (М-кода и двухкомпонентного сигнала на частоте L5) позволяет, во-первых, разделить рабочие частоты для гражданских и военных пользователей, во-вторых, повысить помехозащищенность НАП за счет реализации слежения за сигналом на полном периоде, отсутствия потока данных, а также применения помехоустойчивого кодирования и специального кодирования для подавления узкополосных помех.

12. Создание и оснащение ВС США навигационной аппаратурой потребителей, обеспечивающей непосредственный прием сигналов P(Y)-кода, что существенно повышает помехозащищенность НАП за счет исключения из алгоритма работы этапа приема сигнала с открытым С(А)-кодом) [4].

Вышеперечисленные особенности построения, функционирования и планы совершенствования СРНС GPS подтверждают сделанный еще на начальном этапе развертывания системы вывод о ее высокой устойчивости к различным видам воздействия вообще и помехоустойчивости в частности.

Встречающие в прессе утверждения обратного характера в большинстве случаев основаны на, во-первых, поверхностном знании системы GPS и существа реализованных в ней способов повышения помехозащищенности, во-вторых, некорректных попытках экстраполяции результатов оценки помехозащищенности каналов связи с фазовой (относительной фазовой) манипуляцией на каналы связи с фазоманипулированными псевдослучайной последовательностью шумоподобными сигналами, в-третьих, результатах экспериментов с общедоступной недорогой коммерческой навигационной аппаратурой потребителей, работающей только с открытым сигналом на частоте L1, и, как правило, не использующей всю номенклатуру возможных способов повышения помехозащиты, достоверности НВО и целостности системы, в-четвертых, игнорировании имеющих место объективных отличиях СРНС GPS от других радиоэлектронных систем, состоящих в том, что в основу ее функционирования положен принцип комплексного использования текущей информации не только о параметрах принимаемого сигнала (как это принято в радиолокации), но и информации, содержащейся в навигационном сигнале от конкретного КА и в альманахе системы, а также результатах непрерывного мониторинга системы и коррекции выявленных погрешностей НВО применительно к конкретному географическому региону.

Наличие такой информационной избыточности исключает неоднозначность в оценках качества навигационной информации, позволяет обеспечить непротиворечивость информации и прогнозировать ее изменения с высокой точностью и достоверностью.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы/В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; Под ред. В.С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

2. Глобальная навигационная система NAVSTAR/ И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин, П.С. Волосов и др.//Зарубежная радиоэлектроника. -1980. -№8. -С. 52-83.

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации/И.В. Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин и др.; Под ред. В.С. Шебшаевича. - М.: Транспорт, 1988. - 201 с.

4. Глобальная система определения местоположения GPS и навигационная война /Иностранная печать. Серия «ТСР служб зарубежных государств», ВИНИТИ, Информ. бюлл. - 1999. -№3.- С. 20 - 26.

5. Искусство навигационной войны / Иностранная печать. Серия «ТСР служб зарубежных государств», ВИНИТИ, Информ. бюлл. - 2001, -№12, -С. 24-28.

6. Спутниковая радионавигационная система «Навстар-GPS»/В.М. Морозов, Д.И. Чапурский, Т.Г. Хмаладзе. РИРВ, Краткий обзор. - 1999.

7. Космос двойного назначения /В.В. Кашинов// "Дуэль", Москва - №29 (120) -1999.

8. Антиоружие/В. Богданов // «Российская газета». - № 198.

9. Иванов М.П., Кашинов В.В. Экспериментальная проверка помехозащищенности GPS//VIIМеждународная конференция «Радиолокация, навигация, связь». 24 - 26 апреля 2001, Воронеж, Россия. - Том 3. - С. 1917-1919.

10. Глушим системы спутниковой радионавигации - американскую GPS и русскую ГЛОНАСС одним ваттом. //www.kiev-secyrity.org.ua/box/8/

11. Методы защиты от ВТО//www.radiowar.ru/files/15_51_alison.pdf

12. Shaw M., Sandhoo K., Turner D. Modernization of the Global Positioning System//GPS World, 2000.

13. Новый подход к оценке целостности СРНС типа GPS, предлагаемый с программой SATZAR// РЖ РТ, 1992, 5В246.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации