Камнев Евгений Анатольевич. Радиоподавление помехозащищенной навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в интересах объектово-территориальной защиты

Краткое описание

Камнев Евгений Анатольевич. Радиоподавление помехозащищенной навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в интересах объектово-территориальной защиты: автореферат дис. ... кандидата Технических наук: 05.12.14 / Камнев Евгений Анатольевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»], 2018

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Камнев Евгений Анатольевич
Радиоподавление помехозащищенной навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в интересах объектово-территориальной защиты
Специальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель д.т.н., профессор Юдин Василий Николаевич
Москва - 2018
Содержание
1 Описательная модель навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем как объекта радиоподавления 10
.1 Принципы функционирования спутниковых радионавигационных систем 10
.2 Организация доступа в систему 10
.3 Характеристики сигналов спутниковой радионавигационной системы gps 11
.4 Построение и функционирование навигационной аппаратуры потребителей 14
.4.1 Структура навигационной аппаратуры потребителей 14
.4.2 Алгоритмы обработки навигационного сигнала 17
.5 Помехозащита навигационной аппаратуры потребителей 22
.5.1 Основные виды преднамеренных помех 22
.5.2 Способы защиты от маскирующих помех 25
.5.3 Способы защиты от имитирующих (интеллектуальных) помех 27
.6 Выводы по разделу 1 32
2 Определение характеристик противонавигационного поля радиопомех 34
2.1 Требования к характеристикам противонавигационного поля радиопомех 34
2.2 Условие подавления и показатели качества подавления навигационной аппаратуры потребителей в различных режимах 39
2.2.1 Показатели качества подавления в различных режимах функционирования навигационной аппаратуры потребителей 41
2.3 Условие радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей с учетом внутрисистемных факторов и средств помехозащиты 65
2.3.1 Учет действия собственного шума и внутрисистемных помех 66
2.3.2 Учет действия средств помехозащиты 72
2.4 Расчетные характеристики противонавигационного поля радиопомех, создаваемого для противодействия навигационной аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем 84
2.4.1 Условие радиоподавления навигационной аппаратуры потребителя в пределах противонавигационного поля радиопомех 84
2.4.2 Требуемая плотность потока мощности поля радиопомех в пределах противонавигационного поля радиопомех 85
2.4.3 Требуемая мощность постановщиков активных помех, действующих в составе противонавигационного поля радиопомех 88
2.4.4 Требуемая мощность одиночного постановщика активных помех и дальность подавления
навигационной аппаратуры потребителей 92
2.5 Выводы по разделу 2 94
3 Помехоустойчивость адаптивных антенных решеток в условиях действия пространственно- распределенной системы постановщиков активных помех 98
3.1 Модель адаптивной антенной решетки 98
3.2 Краткое описание компьютерной имитационной модели адаптивной антенной решетки ...101
3.3 Модельный эксперимент по оценке эффективности адаптивной антенной решетки как средства помехозащиты навигационной аппаратуры потребителей 102
3.3.1 Общие параметры модельного эксперимента 103
3.3.2 Анализ помехоустойчивости четырехэлементной адаптивной антенной решетки методом модельного эксперимента 105
3.3.3 Анализ помехоустойчивости семиэлементной адаптивной антенной решетки методом модельного эксперимента 117
3.4 Предложения по рациональному построению противонавигационного поля радиопомех при противодействии навигационной аппаратуры потребителей, оснащенной адаптивными антенными решетками 135
3.4.1 Построение противонавигационного поля радиопомех на базе постановщиков активных помех наземного базирования 136
3.4.2 Построение противонавигационного поля радиопомех на базе постановщиков активных помех воздушного базирования 137
3.4.3 Построение противонавигационного поля радиопомех на базе постановщиков активных помех наземного и воздушного базирования 138
3.5 Выводы по разделу 3 138
4 Оценка зон радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем, оснащенных адаптивными антенными решетками 140
4.1 Имитационная модель сценария радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем 140
4.2 Эксперимент по определению зон радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей 142
4.2.1 Общие параметры модельного эксперимента 142
4.2.2 Оценка зон радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей с четырехэлементной адаптивной антенной решеткой для конфигурации противонавигационного поля радиопомех с расстановкой вида «квадрат» 144
4.2.3 Оценка зон радиоподавления навигационной аппаратуры потребителей с семиэлементной адаптивной антенной решеткой для конфигурации противонавигационного поля радиопомех с
расстановкой вида «квадрат» 149
4.3 Выводы по разделу 4 152
Заключение 153
Список сокращений и условных обозначений 154
Список литературы 156
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Наблюдаемое в настоящее время и на перспективу бурное разви¬тие спутниковых радионавигационных систем (СРНС) стимулируется потребностями граждан¬ской сферы и обороны. В интересах обороны наряду с развитием собственных СРНС актуально создание идеологии техники противодействия СРНС противной стороны. Противодействие реа¬лизуется средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ), конкретно средствами радиоподавления (РП). Цель противодействия - затруднение решения задач определения своих координат и пара¬метров движения опасными объектами противной стороны. К опасным объектам, использующим информацию от СРНС, можно отнести ударные и разведывательные самолеты различных типов, крылатые ракеты и управляемые авиационные бомбы, разведывательные и ударные беспилотные летательные аппараты (БЛА) и другие. Противодействие реализуется в интересах защиты граж¬данских объектов (населенных пунктов, промышленных предприятий, электростанций, мостов, аэродромов и других), а также военных объектов от средств разведки и поражения, решающих задачи своего местоопределения и наведения оружия с использованием средств спутниковой навигации.
Традиционно принято считать, что недостатком СРНС является низкая помехоустойчи¬вость навигационной аппаратуры потребителей (НАП) по отношению к воздействию маскирую¬щих (например, шумовых или сигналоподобных), а также дезинформирующих (интеллектуаль¬ных) радиопомех. Помехоустойчивость определяется способностью НАП определять собствен¬ные координаты и вектор скорости в условиях действия радиопомех. Однако в настоящее время и на перспективу ситуация, характеризуемая низкой помехоустойчивостью НАП СРНС, ради¬кально меняется. Это связано с внедрением в технику НАП различных средств помехозащиты, основанных, в частности, на адаптивной пространственно-временной и частотно-временной об¬работке навигационных сигналов и помех, а также на аппаратно-программных методах защиты от дезинформирующих помех.
Проблеме разработки способов защиты НАП СРНС от воздействия маскирующих и дез¬информирующих помех посвящена обширная литература [1-29]. Наиболее перспективным направлением развития средств защиты от маскирующих радиопомех является разработка антен¬ных решеток (АР) с адаптивной пространственно-временной обработкой сигналов, реализующих операции пространственной режекции (или компенсации) помех и фокусировки диаграммы направленности (ДН) антенной решетки на рабочие спутники. В иностранной литературе по этим вопросам широко используется термин «beamformer» - формирователь лучей. Адаптивный фор¬мирователь лучей обеспечивает фокусировку ДН в направлении сопровождаемого навигацион¬ного спутника Земли (НСЗ) и формирование «провалов» в ДН в направлении постановщиков ак¬тивных помех (ПАП) (пространственную режекцию помех).
Радикальность перемен с помехоустойчивостью НАП СРНС подтверждают результаты натурного эксперимента по радиоподавлению НАП СРНС с адаптивной антенной решеткой (ААР) (изделие «КОМЕТА»), установленной на малоразмерном БЛА «Грифон-12К». Экспери-мент показал, что БЛА способен в штатном режиме определять свои текущие координаты и век¬тор скорости при работе на удалении вплоть до 2 км от мест размещения специализированных ПАП, имеющих энергопотенциал до 10 кВт [30].
Обсуждаемое выше внедрение в технику НАП СРНС перспективных средств помехоза- щиты резко снижает эффективность одиночных систем и комплексов РЭБ и повышает требова¬ния к энергетическим и технико-экономическим затратам на создание противонавигационного поля радиопомех (ПНПР) в интересах объектово-территориальной защиты. В связи с этим при¬обретает особую актуальность разработка усовершенствованных способов и средств создания ПНПР, позволяющих ослабить указанный негативный эффект.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи разработки усовершенствованных способов создания и оценки эффективности противонавигационного поля радиопомех, обеспечивающего радиоподавление помехозащищенных образцов НАП СРНС в ин¬тересах объектово-территориальной защиты.
Цель работы - повышение эффективности пространственно-распределенных систем РЭБ, формирующих противонавигационное поле радиопомех в интересах объектово-территори¬альной защиты, в условиях действия помехозащищенных образцов НАП, оснащенных адаптив¬ными антенными решетками, за счет совершенствования состава, пространственного размеще¬ния и параметров постановщиков помех.
В диссертационной работе в качестве объекта исследования рассматривается простран¬ственно-распределенная система постановщиков активных радиопомех, создающих противона- вигационное поле радиопомех в интересах объектово-территориальной защиты.
Предметом исследования является помехоустойчивость НАП СРНС, оснащенной сред-ствами адаптивной пространственно-временной обработки сигналов, в условиях действия про¬странственно-распределённой системы постановщиков активных радиопомех.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Разработка описательной модели помехозащищенной НАП СРНС как объекта ра-диоподавления.
2. Разработка методики определения энергетических характеристик ПНПР и оценки коэффициентов подавления помехозащищенной НАП с учетом действия средств помехозащиты, режимов работы НАП, внутрисистемных факторов и структуры помеховых сигналов.
3. Разработка компьютерных имитационных моделей ААР, используемых в составе НАП СРНС.
4. Проведение модельных экспериментов по оценке помехоустойчивости НАП, осна¬щенной ААР, в условиях действия пространственно-распределенной системы (ПРС) ПАП.
5. Разработка компьютерной имитационной модели сценария радиоподавления НАП, оснащенной ААР.
6. Проведение модельных экспериментов по оценке зон радиоподавления помехоза¬щищенной НАП.
7. Анализ результатов экспериментов и формирование предложений по построению
ПНПР.
Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы методы математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, компьютерного имитационного моделирования.
Научная новизна:
1. Предложена методика определения энергетических характеристик ПНПР и расчета коэффициентов подавления НАП, отличающаяся учетом действия средств помехозащиты, режи¬мов работы НАП, внутрисистемных факторов и структуры помеховых сигналов.
2. Разработаны оригинальные математические и компьютерные имитационные мо¬дели (КИМ) ААР, ориентированные на оценку помехоустойчивости НАП в условиях действия ПРС ПАП.
3. Получены количественные оценки помехоустойчивости четырехэлементной и се-миэлементной ААР (ААР4 и ААР7), находящихся под воздействием ПРС ПАП с элементами наземного и воздушного базирования.
4. Предложен способ создания ПНПР в интересах объектово-территориальной за-щиты, защищенный патентом РФ №2581602 от 25 марта 2016 г., позволяющий уменьшить плот¬ность расстановки ПАП в глубине защищаемой территории (вокруг объекта защиты) за счет со¬здания высокоэнергетической барьерной зоны на границе защищаемой территории и учета ре¬жимов работы НАП.
5. Разработана оригинальная КИМ сценария радиоподавления помехозащищенной НАП, позволяющая оценивать эффективность существующих и перспективных ПРС ПАП, со¬здаваемых в интересах объектово-территориальной защиты.
6. Получены ранее неизвестные количественные оценки зон радиоподавления поме¬хозащищенной НАП для различных конфигураций ПРС ПАП.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты работы могут быть использованы при разработке ПРС РЭБ, предназначенных для радиоподавления НАП СРНС, а также в интересах разработки помехозащищенных образцов НАП. Методики расчета коэффициентов подавления и требуемой энергетики ПАП, а также результаты оценки помехо¬устойчивости ААР могут быть использованы при разработке способов применения существую¬щих средств и комплексов РЭБ в интересах радиоподавления помехозащищенной НАП. Мето¬дика расчета требуемой мощности ПАП, действующих в составе ПРС, а также разработанная КИМ сценария радиоподавления НАП, оснащенной ААР, могут быть использованы для оценки эффективности ПРС РЭБ, создаваемых в интересах объектово-территориальной защиты, на этапе планирования до непосредственного развертывания на местности, а также для выработки пред¬ложений по повышению их эффективности (увеличению зон радиоподавления, сокращению тре¬буемого количества модулей радиопомех в составе постов радиопомех, уменьшению плотности расстановки постов радиопомех на местности).
К наиболее существенным результатам диссертационной работы, полученным автором лично, относятся следующие. Разработаны методика определения энергетических характери-стик ПНПР с учетом средств помехозащиты, режимов работы НАП, внутрисистемных факторов и структуры помеховых сигналов, математические и компьютерные имитационные модели ААР. Проведены модельные эксперименты и получены количественные оценки помехоустойчивости рассмотренных ААР. Разработана компьютерная имитационная модель сценария радиоподавле¬ния помехозащищенной НАП и проведены модельные эксперименты, в результате которых по¬лучены количественные оценки зон радиоподавления помехозащищенной НАП. Сформулиро¬ваны предложения по построению ПНПР в интересах объектово-территориальной зашиты.
Внедрение научных результатов. Результаты диссертационной работы использованы на предприятии АО «НТЦ РЭБ» при разработке программного обеспечения программно-аппарат¬ного комплекса в ОКР «Плазма», проведении испытаний модуля радиопомех СРНС в составной части ОКР «Поле-48», а также комплекса РЭБ с малоразмерными БЛА «Репеллент», что подтвер¬ждено соответствующим актом внедрения.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректным применением ма-тематического аппарата, результатами компьютерного имитационного моделирования и поли¬гонного эксперимента, соответствием результатов диссертационной работы, в частных случаях, известным результатам.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2015» (Москва, МАИ, 2015 г.), XLII международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2016» (Москва, МАИ, 2016 г.), научно-технической секции №6 «Пространственно-распределен¬ная и роботизированная техника РЭБ» (Москва, 2017 г.), международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2016» (Москва, МАИ, 2017 г.), Ш-й военно-научной конфе¬ренции «Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппа¬ратами» (г. Кубинка, Московская область, 2018 г.), научно-техническом семинаре «Развитие научной школы РЭБ на базе ЦНИРТИ» (Москва, 2018 г.).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в двена-дцати работах, семь из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для опубли¬кования основных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. В ходе диссертационной работы получен патент РФ №2581602 на изобретение «Способ радиоэлектрон¬ного подавления аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в пределах защищаемой территории». Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 25 марта 2016 г.
Положения, выносимые на защиту:
1. Учет режимов работы навигационной аппаратуры потребителя и внутрисистемных факторов при организации противонавигационного поля радиопомех в интересах объектово-тер¬риториальной защиты позволяет уменьшить требуемый коэффициент подавления навигацион¬ной аппаратуры потребителя до 7 дБ и более.
2. Радиоподавление навигационной аппаратуры потребителя воздушного базирова¬ния, оснащенной адаптивными антенными решетками, обеспечивается совокупностью простран¬ственно-распределенных постановщиков активных помех, при этом для радиоподавления аппа¬ратуры потребителя с четырёхэлементной адаптивной антенной решеткой требуется не менее четырех постановщиков активных помех наземного и/или воздушного базирования, а для радио¬подавления аппаратуры потребителя с семиэлементной адаптивной антенной решеткой необхо¬димо не менее семи постановщиков активных помех, из которых не менее одного - воздушного базирования.
3. Предложенное построение противонавигационного поля радиопомех, предполага¬ющее создание высокоэнергетической барьерной зоны вдоль границы защищаемой территории, позволяет увеличить шаг расстановки постов радиопомех в глубине защищаемой территории до двух раз.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заклю-чения и списка литературных источников. Диссертация содержит 160 страниц текста, 80 рисун¬ков, 23 таблицы и список литературных источников, включающий 59 наименований.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведения диссертационного исследования получены следующие основные ре¬зультаты:
1. Предложена методика определения энергетических характеристик ПНПР в интере¬сах решения задач объектово-территориальной защиты и расчета коэффициентов подавления НАП СРНС, отличающаяся учетом действия средств помехозащиты, режимов работы НАП и внутрисистемных факторов СРНС.
2. Разработаны КИМ ААР, ориентированные на оценку помехоустойчивости помехо¬защищенной НАП в условиях действия ПРС ПАП и получены количественные оценки помехо¬устойчивости ААР4 и ААР7 в условиях действия ПРС ПАП, на базе которых сформулированы требования к ПНПР в интересах противодействия помехозащищенной НАП.
3. Предложена конфигурация ПНПР с высокоэнергетической барьерной зоной на гра¬ницах защищаемой территории, которая позволяет за счет учета режимов работы НАП умень¬шить плотность расстановки ПАП в глубине защищаемой территории (вокруг объекта защиты) до двух раз по сравнению с барьерной зоной.
4. Разработанная КИМ сценария радиоподавления НАП СРНС позволяет оценить эф¬фективность различных конфигурации ПРС РЭБ, в том числе на базе изделий «Поле-21Э», «Оп- тима-3.2», выявить их недостатки (наличие разрывов в формируемом ПНПР) при решении задач радиоподавления помехозащищённой НАП с ААР на различных высотах и обосновать про¬грамму натурных полигонных испытаний развёртываемых позиционных районов, что позволит сэкономить ресурсы на проведение летных испытаний.
5. Сформированы предложения по организации ПНПР с применением ПРС РЭБ на базе типовых ПАП в интересах радиоподавления помехозащищённой НАП СРНС, оснащенной ААР4 и ААР7.
Список сокращений и условных обозначений
ААР - Адаптивная антенная решетка
ААР4 - Четырехэлементная антенна решетка
ААР7 - Семиэлементная антенна решетка
АП - Активная (маскирующая) помеха
АР - Антенна решетка
АРУ - Автоматическая регулировка усиления
АЭ - Антенный элемент
БЛА - Беспилотный летательный аппарат
БПФ - Быстрое преобразование Фурье
ВБ - Воздушное базирование
ВП - Внутрисистемные помехи
ДН - Диаграмма направленности
ДХ - Дискриминационная характеристика
ИА - Изотропная антенна
ИМП - Имитирующие (интеллектуальные) помехи
ИНС - Инерциальная навигационная система
КУ ОСП - Коэффициент улучшения отношения сигнал/помеха адаптивной ан¬
тенной решетки
ВА ОСП - Выигрыш за счет адаптации антенной решетки относительно не¬
адаптивной антенной решетки в отношении сигнал/помеха КИМ - Компьютерная имитационная модель
ЛА - Летательный аппарат
МРП - Модуль радиопомех
НАП - Навигационная аппаратура потребителей
НАР - Неадаптивная антенна решетка
НБ - Наземное базирование
НС - Навигационный сигнал
НСЗ - Навигационный спутник Земли
ОСП - Отношение сигнал/помеха
ОСШ - Отношение сигнал/шум
ПАП - Постановщик активных помех
ПЗ - Помехозащита
ПНПР - Противонавигационное поле радиопомех
ППМ - Плотность потока мощности
ПРП - Пост радиопомех
ПРС - Пространственно-распределенная система
РП - Радиоподавление
РЭБ - Радиоэлектронная борьба
СПМ - Спектральная плотность мощности
СРНС - Спутниковые радионавигационные системы
СШ - Собственный шум (в канале приемника)
ФАПЧ - Фазовая автоподстройка частоты
ХО - Характеристика обнаружения
ЧАПЧ - Частотная автоподстройка частоты
ЧРФ - Частотно-режекторный фильтр
ШП - Шумовая помеха
Список литературы
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Петрова, В. И. Хари¬сова. - Изд.-е 4-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2010. - 800 с.
2. Jay R. Sklar Interference Mitigation Approaches for the Global Positioning System, Lincoln labora¬tory journal, vol. 14, no. 2, pp. 168-180, 2003.
3. Вейцель А.В., Вейцель В.А., Татарников Д.В. Аппаратура высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем: высокоточные антенны. Специ¬альные методы повышения точности позиционирования / Под редакцией М.И. Жодзишского. - М.: МАИ-ПРИНТ, 2010. - 38 с.: ил. ISBN 97805-7035-2245-5.
4. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / Перевод с английского под ред. В.А. Лексаченко. — М.: Радио и связь, 1986. — 448 с.: ил.
5. Харисов В.Н., Ефименко В.С., Оганесян А.А., Пастухов А.В., Павлов В.С., Головин П.М., Мед¬ведев П.В. Оценка характеристик подавления помех приемникам ГНСС с антенными решетками в реальных условиях / Радиотехника, № 7, 2013.
6. Тяпкин, В. Н. Т995 Методы определения навигационных параметров подвижных средств с ис¬пользованием спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС: монография / В. Н. Тяп¬кин, Е. Н. Гарин. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. - 260 с. ISBN 978-5-7638-2639-5.