Приведены результаты экспериментов по исследованию помехозащищенности аппаратуры с использованием адаптивных антенных решеток, которые приводятся в публикациях специалистов.
В настоящее время во многих областях деятельности человека находит применение аппаратура радионавигации (АРН) по сигналам КНС ГЛОНАСС и GPS. Среди применений АРН встречаются такие, для которых одним из основных требований, предъявляемых к техническим характеристикам радионавигационного приемника, является его помехозащищенность. При этом помехозащищенность АРН, выполненной согласно стандартного на сегодняшний день варианта построения, невысока. Поэтому сейчас большую актуальность имеет разработка АРН ГЛОНАСС/GPS, обладающей повышенной помехозащищенностью.
Основной причиной низкой помехозащищенности АРН ГЛОНАСС/GPS является малый уровень полезного сигнала на входе приемника. Мощность сигнала навигационного космического аппарата (НКА) на выходе приемной антенны составляет (минус 165 … минус 155) дБВт. При этом, если в аппаратуре не предприняты специальные меры для повышения помехозащищенности, она сохраняет работоспособность при уровне помехи в полосе пропускания аналогового тракта до минус 140 дБВт (отношение помеха/сигнал до 25 дБ).
Это значение обусловлено свойствами псевдослучайных последовательностей (ПСП), модулирующих сигнал НКА. Поскольку полосы рабочих частот сигналов НКА систем ГЛОНАСС и GPS известны, не представляет большого труда поставить помеху в полосе рабочих частот приемной аппаратуры. На сегодняшний день можно выделить два наиболее перспективных метода построения приемной АРН, обладающей повышенной помехозащищенностью: 1. Фильтрация помехи в цифровой части приемной аппаратуры до систем слежения. Этот метод при небольшом усложнении может дать существенное улучшение помехозащищенности АРН при работе в условии гармонической помехи и модулированной помехи с узким спектром. Недостатком данного метода является то, что он оказывается неработоспособным при присутствии широкополосной либо многочастотной помехи, а также при работе в условиях имитационной помехи (спуфинга). Формируя диаграмму направленности антенной решетки, можно добиться большого подавления сигнала помехи, используя пространственную селекцию принимаемых сигналов. Заметных успехов в данном направлении добилась фирма proximity (СИТА). Поскольку использование антенных решеток позволяет бороться с любыми видами помехи, на сегодняшний день этот метод представляется наиболее перспективным. Использование антенных решеток может дать следующие улучшения характеристик АРН по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS по сравнению с использованием одиночной антенны:
1) Повышение помехоустойчивости АРН, особенно по отношению к источникам преднамеренных помех, работающим непосредственно в диапазоне частот ГЛОНАСС/GPS, а также к сигналам терминалов подвижной спутниковой связи, излучающим значительную мощность в частотных диапазонах.
2) Повышение чувствительности приемного устройства, то есть обеспечение работоспособности АРН при малом уровне входного сигнала НКА, например, при работе в лесной местности, где велико затухание сигнала в кронах деревьев и АРН, использующая одну приемную антенну, практически неработоспособна.
3) Уменьшение влияния интерференционных помех, возникающих в результате переотражений сигналов НКА от местных предметов. Существует несколько вариантов построения антенных решеток:
1) С использованием управляемых фазовращателей непосредственно на выходе антенного модуля (антенна и МШУ) и формированием суммарного сигнала на высокой частоте в аналоговой части приемника. Для применения в АРН ГЛОНАСС/GPS такая схема не подходит ввиду нескольких источников полезного сигнала и высокой рабочей частоты (около 1,6 ГГц).
2) С выполнением раздельных аналоговых трактов сигналов антенных модулей (преобразование частоты, усиление, фильтрация сигналов, аналого-цифровое преобразование), реализацией управляемых фазовращателей и формированием суммарного сигнала в цифровой части. Такая схема может быть использована, но выполнение нескольких аналоговых трактов с идентичными характеристиками является довольно сложной задачей.
3) С использованием фазовой манипуляции сигналов антенных модулей (с кодовым разделением) для передачи их в одном аналоговом тракте и реализацией управляемых фазовращателей и формированием суммарного сигнала в цифровой части.
Такая схема наиболее проста в исполнении и может использоваться для создания относительно недорогой АРН ГЛОНАСС/GPS с повышенной защищенностью. Недостатком данной схемы построения антенных решеток является то, что она не дает повышения чувствительности приемного устройства относительно системы с использованием одиночного антенного модуля. Необходимо отметить, что при формировании итоговой диаграммы направленности антенной системы АРН в цифровой части аппаратуры подавление сигналов помех при их обработке в радиотракте отсутствует. Вследствие этого, аналоговый тракт не защищен от воздействия помехи. Для обеспечения работоспособности аналоговый тракт должен сохранять линейность во всем динамическом диапазоне возможных значений помех. Если линейность выполняется, помеха будет подавлена при обработке в цифровой части и не окажет влияния на работу АРН. То же самое можно сказать и об АЦП. Из вышесказанного следует: принципиальным требованием для построения антенных решеток с реализацией управляемых фазовращателей на цифровом уровне, как и для реализации метода фильтрации помехи в цифровой части АРН, является обеспечение линейности прохождения помехи и сигнала через аналоговый тракт и АЦП приемной аппаратуры. По некоторым оценкам динамический диапазон аналогового тракта может быть увеличен примерно до 100 дБ. Серьезной проблемой является расширение динамического диапазона АЦП, поскольку увеличение разрядности АЦП требует значительного усложнения цифровой части аппаратуры.
В стандартной АРН ГЛОНАСС/GPS используется одноразрядный АЦП, поскольку нелинейность двухуровневого аналого-цифрового преобразования помехи мощностью до минус 140 дБВт на входе радионавигационного приемного устройства не является значительной. Для создания АРН, работающей в условиях преднамеренных помех мощностью выше минус 140 дБВт, требуется расширение динамического диапазона АЦП. В работах М. К. Чмыха подробно описан спектральный состав идеально ограниченной смеси гармонического сигнала и белого шума. Опираясь на известный факт подавления кратных частот гармонического сигнала, возникающих при ограничении, шумом, мы предлагаем метод расширения динамического диапазона одноразрядного АЦП за счет искусственного уменьшения отношения помеха/шум на входе АЦП путем добавления шума, основная мощность которого сосредоточена вне рабочей полосы частот приемной аппаратуры. Было проведено исследование возможно сти применения в аппаратуре радионавигации метода расширения динамического диапазона одноразрядного АЦП за счет добавления на его входе полосового шума. При использовании данного метода в АРН с шириной полосы пропускания ФНЧ систем измерения параметров сигналов, соответствующей существующим вариантам АРН типа МРК, мощности помехи, нелинейность преобразования которой в одноразрядном АЦП можно считать допустимой, составляет минус 123 дБВт на входе приемника. Повышение разрядности АЦП позволит увеличить это значение. По результатам предварительного исследования трехразрядных АЦП при оптимальной мощности добавляемого шума увеличение значения мощности помехи, нелинейность преобразования которой в АЦП можно считать допустимой, составит приблизительно 8 дБ на разряд.
Дата публикации 18.07.2012, 14:01