Исраил 95REG (israil_95reg) wrote,
Исраил 95REG
israil_95reg

Categories:

По поводу БПЛА. Радиоэлектронное подавление систем навигации и радиосвязи. Часть 9

3.2. Особенности радиоэлектронного подавления навигационной системы БПЛА, основанной на приеме сигналов СРНС

Систему навигации на подавляющем числе малых БПЛА составляет АП, принимающая сигналы одной или нескольких СРНС. К наиболее распространенным СРНС относятся системы: ГЛОНАСС (РФ), GPS/NAVSTAR (США), Beidou (Китай), Galileo (ЕС). Сигналы СРНС формируются на литерных частотах в диапазоне 1,1-1,6 ГГц. Как правило, простые навигационные системы, устанавливаемые на малые БПЛА, используют интегрированный режим обработки сигналов от нескольких СРНС, что обеспечивает точность навигации 1-2,5 м как в горизонтальной плоскости, так и по высоте.

1.jpg



1) Среди помех, используемых для подавления каналов СРНС в наиболее широкой степени применяются:

- шумовая помеха (белый шум высокой мощности на частотах каналов СРНС);

- гармоническая (полигармоническая) помеха (одночастотное или модулированное гармоническое колебание на частоте (на частотах) полезного сигнала);

- прицельная имитирующая помеха (помеха имитирует структуру сигналов СРНС с частотным и временным рассогласованием, а также с
фиксированным значением фазы огибающей манипулирующей функции);

- следящая имитирующая помеха (помеха имитирует структуру сигналов СРНС, но с переменной начальной фазой манипулирующей функции, закон изменения которой соответствует изменению расстояния от приемника до станции РЭП);

- заградительная имитирующая помеха (имитирует набор сигналов спутников СРНС с одинаковым частотным рассогласованием для всех компонентов и разным временным рассогласованием для каждого компонента).

Для организации имитирующих помех требуется разведка не только несущей частоты и фазы, но и амплитуды сигналов СРНС, а также манипулирующих функций, представляющих собой кодовую последовательность для разделения сигналов и навигационных данных. При этом для формирования следящей и прицельной имитирующих помех необходима разведка частотных, фазовых и временных параметров полезных сигналов СРНС. Более простой в реализации является заградительная имитирующая помеха, поскольку она не требует для формирования точных временных параметров сигнала

2) Наиболее эффективными помехами для нарушения нормального функционирования АП СРНС являются имитирующие помехи, воспроизводящие структуру реального сигнала СРНС с частотными, фазовыми и временными параметрами, позволяющими навязать АП СРНС ложный режим работы и как следствие – ложное местоопределение БПЛА. Модификация значащих параметров имитирующей помехи позволяет управлять траекторией полета БПЛА. При этом значащие параметры помехи должны быть как можно более близкими к соответствующим параметрам реальных сигналов СРНС.

Постановка имитационных помех производится в два этапа:

1) постановка шумовой помехи, заградительной по каналам СРНС – вызывает «отвязку» АП от текущих сигналов СРНС, прерывание режима слежения и переход в режим обнаружения и поиска сигналов;

2) формирование имитирующей помехи с высоким энергетическим потенциалом – вызывает «привязку» АП СРНС к ложным сигналам, с
последующим переходом в ложный режим работы.

Результаты теоретических исследований помехоустойчивости АП СРНС
GPS, представленные в работе, обобщены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты исследований подавления каналов АП СРНС при использовании различных типов помех для ситуаций, когда АП функционирует автономно в штатном режиме


Из приведённых в таблице 1 результатов следует, что из всех рассматриваемых помех наименьший энергетический потенциал станции РЭП требуется при постановке заградительной имитирующей помехи. При воздействии заградительной имитирующей помехи на канал обнаружения и канал слежения за задержкой вероятность подавления АП СРСН составит порядка 0,9. При постановке шумовой или гармонической помех с энергетическим потенциалом станции РЭП, равным 8,5 дБВт вероятность подавления АП СРНС составит порядка 0,5. С целью увеличения вероятности подавления АП РЭП необходимо при постановке шумовых помех иметь энергетический потенциал станции РЭП порядка 20 дБВт, а при постановке гармонических помех – порядка 25 дБВт. Также показано, что помехоустойчивость стандартных АП СРНС составляет 34-36 дБ для динамично движущихся АП и 38-40 дБ для слабо динамичных АП.

Приведены оценки уровня мощности преднамеренных помех, которые могут быть созданы типовыми средствами РЭП на входе приемника АП СРНС авиационного базирования:

- при высоте полета летно-подъемного средства с АП СРНС 100 м:
o от наземных средств РЭП: –78...–166 дБВт;
o от авиационных средств РЭП: –82...–103 дБВт;
o от тактического БПЛА со средствами РЭП: –94...–96 дБВт;
o от малогабаритного забрасываемого передатчика помех (ЗПП):

–81...–83 дБВт;

- при высоте полета летно-подъемного средства с АП СРНС 5 км:
o от наземных средств РЭП: –81...–102 дБВт;
o от авиационных средств РЭП: –82...–103 дБВт;
o от тактического БПЛА со средствами РЭП: –97...–99 дБВт;
o от малогабаритного ЗПП: –101...–103 дБВт;

Проведенные испытания АП СРНС отечественного производства "Грот-Н", "Бриз-КМИ", "МРК-32Р", "МРК-33" показали, что при реальной чувствительности приемного устройства –165 дБВт срыв сопровождения наступает при уровне помех на входе –120 дБВт, т.е. превышение помехи над сигналом составляет примерно 40-45 дБ. Это объясняется применением ШПС и их накоплением на интервале времени 1 мс. Результаты этих экспериментальных исследований, в части способности выполнения АП СРСН навигационных задач в режимах обнаружения и слежения за сигналами СРСН в условиях шумовых и гармонических помех, по данным работ, представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Значение ОСШ на входе АП СРНС, при котором отсутствует решение навигационной задачи


Для повышения помехозащищенности АП СРНС в БПЛА могут быть использованы следующие способы и средства:

- использование дальномерных кодов повышенной точности, поступающих по «закрытым» каналам СРНС;
- одновременный прием и обработка в АП сигналов от различных СРНС (ГЛОНАСС, GPS, Galileo и т.д.);
- пространственная селекция сигналов СРНС;
- комплексирование АП с ИНС;
- предкорреляционная обработка смеси сигналов и помех;
- алгоритмическая посткорреляционная обработка сигналов;
- поляризационная селекция сигналов.

Из указанных способов, помимо комплексирования АП с ИНС (данный способ будет рассмотрен далее), наибольшее распространение получил способ пространственной селекции сигналов СРНС за счет установки на БПЛА фазированной антенной решетки (ФАР). Наличие на БПЛА всего лишь 6 элементов в ФАР позволяет достаточно эффективно формировать «нули» диаграммы направленности антенны (ДНА) в направлении на наземные источники помех и "максимумы" ДНА ФАР – в направлении на космические аппараты СРНС, тем самым обеспечивая пространственную режекцию помех.

3.3. Особенности радиоэлектронного подавления интегрированной навигационной системы БПЛА, основанной на комплексировании данных микромеханических инерциальных систем и сигналов СРНС

Выше были рассмотрены навигационные системы самых простых малых БПЛА, основанные на приеме и обработке сигналов СРНС. На более сложных БПЛА устанавливаются элементы автономной навигационной системы – акселерометры, гироскопы, барометры, лазерные высотомеры и т.д. Общепринятой нормой точности авиационных инерциальных ИНС «средней точности» является ошибка счисления пути в 1,85 км за 1 ч полета. Такая точность достигается авиационными ИНС на основе лазерных или волоконно-оптических гироскопов. Однако масса таких ИНС составляет от 8 кг, что делает проблематичным их использование на малых и даже на средних БПЛА

В результате на малых БПЛА устанавливается более простая ИНС, оснащённая микромеханическими датчиками движения – акселерометрами и гироскопами. Такая ИНС, без ее коррекции по сигналам СРНС, не в состоянии осуществлять автономное счисление пройденного пути ввиду высоких скоростей дрейфа гироскопических датчиков. Накапливаемая ошибка микромеханических ИНС, в условиях отсутствия корректирующих сигналов СРНС, за 1 мин составляет до 3 м по горизонтали и 2 м по вертикали.

Таким образом, эти ИНС способны без сигналов СРНС поддерживать приемлемую точность полета на уровне 100-150 м в течении не более 10 мин. При этом, как правило, имеется ввиду поддержание режима прямолинейного полета без ускорений и маневров.

Примерами таких образцов микромеханических ИНС могут являться устройства Geo-iNAV (масса порядка 3 кг).

Таким образом на современном этапе развития навигационных систем малых БПЛА для счисления пути с приемлемой точностью требуется использование сигналов СРНС. Дополнительными способами повышения автономности и точности навигационных систем БПЛА является установка барометра, радио- или лазерного высотомера. Приблизительный диапазон измерений простого барометрического высотомера для малых БПЛА до 9 км, точность 0,1 м. Диапазон измерений радиовысотомера до 700 м, точность по высоте 2-5%, точность по углу 0,25°. Диапазон измерений лазерного высотомера 0,1-120 м (статические поверхности) и 2-40 м (движущиеся поверхности), разрешение 1 см, точность 0,1 м (объект с 70% светоотражением при 20° С) [60]. Это оборудование позволяет повысить точность определения координат за счет использования дополнительных каналов поступления навигационных данных, а также формировать профили автономного полета БПЛА по электронным картам местности содержащим барометрические данные или высотные профили подстилающей поверхности.

Показано, что стандартным режимом интегрированной навигационной системы БПЛА, является следующая иерархия обработки навигационных данных (по мере снижения значимости и приоритета источника навигационных данных): "ИНС – СРНС – ОЭС – барометр – радиовысотомер". В случае затрудненного приема сигналов СРНС навигационная система БПЛА переходит в режим "ИНС – ОЭС – барометр – радиовысотомер", причем в этом случае ОЭС может быть использовано как для автономного контроля полета по визуальным ориентирам, так и для организации прямого дистанционного управления оператором по визуальным данным от ОЭС. При отсутствии ОЭС на БПЛА навигационная система переходит в режим "ИНС – барометр – радио высотомер", для полета по барометрической и электронной карте местности. При этом, в настоящее время наблюдается уход от использования ОЭС для прямого управления БПЛА оператором, в направлении автономного использования ОЭС, а также других радиотехнических средств БПЛА, в режиме SLAM – режим автоматического одновременного построения карты местности в неизвестном пространстве и одновременного контроля текущего местоположения БПЛА, а также счисления пройденного пути

Исследуется функционирование интегрированных навигационных систем в режимах "ИНС – СРНС" и "ИНС – СРНС – АЗН-В", где наземные опорные станции (НОС) АЗН-В формируют своеобразную локальную РСБН. Показано, что в режиме "ИНС – СРНС" при полном созвездии навигационных спутников (4-е и более) обеспечивается погрешность местоопределения БПЛА на уровне 6-8 м. В случае, когда количество видимых навигационных спутников снижается до 2-3, погрешность квазилинейно растет (рис. 1) при этом ИНС способна без сигналов СРНС поддерживать приемлемую точность полета на уровне 30 м в течении не более 2-4 мин, на уровне 60 м – в течении 4-6 мин.

В режиме "ИНС – СРНС – АЗН-В" интегрированная инерциальная система корректирует показания ИНС как по сигналам СРНС, так и по сигналам наземных опорных станций системы АЗН-В с точно известными координатами. Использование подобного режима позволяет значительно снизить погрешность местоопределения БПЛА. Так, при видимости 2 навигационных спутников и 2 станций АЗН-В погрешность местоопределения снижается до 18-20 м (рис. 2). Фактически станции АЗН-В создают избыточность псевдодальномерных наблюдений и компенсируют отсутствие видимости полного созвездия спутников СРНС. В целом интегральные навигационные системы БПЛА в режиме "ИНС – СРНС – АЗН-В" обеспечивают точность навигации 16-18 м. Такой подход к повышению точности интегрированных навигационных систем БПЛА за счет внешних источников псевдодальномерных сигналов схож с предложениями по созданию локальных РСБН.

Рис. 1. Ошибка оценки координат в режиме "ИНС – СРНС" при видимости 2, 3 навигационных спутников СРНС


Рис. 2. Ошибка оценки координат в режиме "ИНС – СРНС – АЗН-В" при видимости 2, 3, 4 навигационных спутников СРНС и 2 НОС АЗН-В


В работе исследуется функционирование интегрированной навигационной системы «ИНС – СРНС» в зависимости от ОСШ сигналов СРНС на приемнике АП. Результаты этого исследования приведены на рис. 3.

Рис. 3. Точность интегрированной навигационной системы "ИНС – СРНС" по параметрам СКО местоопределения координат (а) и скорости (б) в зависимости от ОСШ сигналов СРНС на приемнике АП в различных режимах


Обозначения цифрами на рис. 3 соответствуют следующим режимам комплексирования данных в навигационной системе:

1) режим, при котором данные от ИНС комплексируются с сигналами АП СРНС, после чего осуществляется их одноэтапная обработка без разделения на первичную и вторичную;

2) режим, при котором в АП СРНС производится разделение обработки на первичную и вторичную, а комплексирование с данными ИНС осуществляется на уровне вторичной обработки;

3) режим с одноэтапной обработкой сигналов в АП СРНС без комплексирования ее с ИНС;

4) режим с двухэтапной обработкой сигналов в АП СРНС без комплексирования ее с ИНС.

Результаты данных исследований показывают, что снижение ОСШ на входе АП СРНС отражаются на текущей точности интегрированных навигационных систем БПЛА. Причем наибольшую точность и устойчивость к снижению ОСШ на входе АП СРНС демонстрирует режим, при котором данные от ИНС комплексируются с сигналами СРНС, после чего осуществляется их одноэтапная обработка без разделения на первичную и вторичную обработку.

Подробные теоретические исследования помехозащищенности навигационной системы в режиме "ИНС – СРНС" обобщены в таблице 3

Таблица 3 – Результаты исследований подавления каналов АП СРНС при использовании различных типов помех для ситуаций, когда АП СРНС GPS функционирует интегрировано с ИНС


Из приведённых в таблице 3 результатов следует, что из всех рассматриваемых помех наименьший энергетический потенциал требуется при постановке заградительной имитирующей помехи. При постановке шумовой и гармонической помех в случае использования комплексирования АП СРНС с ИНС требуется дополнительное увеличение энергетического потенциала станции РЭП для обеспечения вероятности подавления до Рп=0,5 на 8 дБВт, а для Рп→1 на 15-20 дБВт

Сравнительный анализ вероятности подавления АП СРНС интегрированного с ИНС с использованием шумовых, гармонических и заградительной имитационной помех позволяет однозначный вывод о целесообразности перехода от «силовых» помех (шумовых и гармонических) к имитационным помехам, навязывающим навигационной системе ложный режим работы по определению местоположения БПЛА и траектории его полета

В одной из работ, исследовались различные варианты реакции интегрированных навигационных систем "ИНС – СРНС" на постановку имитационных помех. Показано, что для обеспечения наилучшего навязывания БПЛА ложной траектории параметры имитационных помех, навязываемое ложное местоположение, а также ложная траектория должны быть согласованны с такими параметрами как: текущее местоположение БПЛА, скорость его полета, дальность до цели, величина требуемого отклонения от цели, и самое главное – функция дрейфа датчиков микромеханических ИНС, при отсутствии сигналов СРНС. Формирование такого индивидуального режима подавления для каждого БПЛА требует, чтобы в формируемых имитационных помехах для АП СРНС учитывалась нарастающая ошибка ИНС. Это позволяет "мягко" перевести БПЛА на нужную траекторию, при этом на начальном этапе постановки таких интеллектуальных имитационных помех, между данными ложных сигналов СРНС и ИНС не будет наблюдаться критического рассогласования, что исключит переход навигационной системы в режимы навигации без использования СРНС (например, в режим "ИНС – ОЭС – барометр – радиовысотомер"). Это позволит "привязать" БПЛА к ложным сигналам СРНС, а затем сформировать ложную траекторию с учетом дрейфа показаний ИНС во времени.

Вместе с тем, практическая реализация такого многопараметрического индивидуального режима помех для каждого БПЛА, представляет собой сложнейшую научно-техническую задачу, которая до сих пор не решена.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что подавление интегрированных навигационных систем БПЛА в режиме "ИНС – СРНС" является принципиально возможным. Однако такое подавление требует создания территориально-распределенной группировки станций РЭП работающих в режиме псевдо-спутников, при этом формируемые имитационные помехи, навязывающие ложную траекторию полета, должны учитывать диапазоны дрейфа гироскопических датчиков ИНС, а также индивидуальный режим полета каждого подавляемого БПЛА. Использование же энергетических помех (шумовых и заградительных) для нарушения функционирования интегрированной навигационной системы БПЛА сопряженно с необходимостью формирования высокоэргических помех, при этом применение таких помех обладает потенциально низкой результативностью
Tags: БПЛА
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Из-под следствия за мандатом

    Недавно — 12 октября в Кыргызстане было весьма зрелищное шоу — арестованный и подследственный по обвинению в организации массовых беспорядков,…

  • Про город Мерсин

    🇹🇷 Город Мерсин — портовый и возможно по этой причине является своеобразным "островком сексуальной свободы" Турции. Если в Twitter вы вобьете хэштег…

  • По поводу смерти Сергея Ковалева

    Сергей КОВАЛЕВ — бывший председатель правозащитного центра «Мемориал» (💲Открытое общество Фонд содействия; 💲Национальный фонд демократии (NED);…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment