Методика оценки помехоустойчивости перспективного навигационного приемника ГНСС беспилотного летательного аппарата

• 1 . Вероятность срыва слежения за навигационным сигналом.

• 2 . Среднее время до срыва слежения за навигационным сигналом.

Входные параметры предлагаемой методики:

• –    математические модели навигационных сигналов (фазоманипулированный двоичной псевдослучайной последовательностью сигнал ( BPSK - binary phase shift keying) и перспективный фазоманипулированный двоичной псевдослучайной последовательностью сигнал c дополнительной меандровой модуляцией ( BOC – binary offset carrier);

  – математическая модель помехи (частотно-модулированная шумом (ЧМШ) помеха (белый гауссовский шум (БГШ).

Основные допущения и ограничения в данной методике:

• -    поляризация навигационных сигналов производится ортогональными тригонометрическими функциями;

• –    навигационные сигналы излучаются на одной несущей частоте;

• –    рассогласование опорного и принятого сигналов принималось равным нулю;

• –    мощность сигнала на входе цифровой модели приемника задавалась на уровне -160 dB;

• –    не учитывались потери на распространение радиоволн в пространстве;

• -    ширина спектра помехового сигнала на несущей частоте навигационных сигналов задавалась 5, 10, 15 МГц, на поднесущей частоте навигационных сигналов задавалась соответственно 5 и 2,5 МГц.

Схемотехнические и программные решения при построении современных навигационных приемников позволяют обрабатывать все доступные навигационные сигналы – принцип AllinView, благодаря увеличению количества каналов приема и применению цифровой обработки сигнала непосредственно на несущей частоте. В связи с этим нет необходимости в изменении конструкции НАП ГНСС, достаточно лишь переустановить программное обеспечение. Но следует отметить, что существующий методический аппарат построения НАП ГНСС ориентирован на алгоритмы первичной обработки отдельных навигационных сигналов и не учитывает возможность одновременной совместной обработки разных типов существующих и перспективных навигационных сигналов ГНСС [1, 5–7].

Основные математические соотношения методики

В связи с тем что при излучении навигационных сигналов BPSK и BOC используется модуляция ортогональными тригонометрическими функциями несущей частоты, появляется возможность проводить их совместную первичную обработку. На рис. 1 приведены спектральные плотности мощности навигационных сигналов BPSK, BOC и помехи.

Таким образом, на вход цифровых моделей [1, 5–7] мультисистемного многоканального приемника НАП подавалась аддитивная смесь сигнала и помехи вида

У ft) = У bpsk ft) + У boc ft) + nO) ,                                (1)

где n(t) - ЧМШ (БГШ).

Рис. 1. Спектральные плотности мощности навигационных сигналов и помехи

Напряжения на выходе дискриминаторов следящих систем при воздействии помехи согласно синтезированным алгоритмам работы временного и частотного дискриминаторов [1, 5–7] определяются следующими выражениями:

^{u Дτ} BPSK ( BOC ) ^{(tk )}

Г2       + л2       - Г2+ а

V I E BPSK (BOC) + Q E BPSK (BOC)      I E BPSK (BOC) + Q E BPSK (BOC)

ˆ2                    ˆ2                      ˆ2

IE BPSK (BOC) + QE BPSK (BOC) + IL BPSK + QL BPSK (BOC)

-          ,      IE BPSK+QE BPSK+IE BOC+QE BOC - Iil BPSK+QE BPSK+IL BOC+QE BOC uˆДτBPSK+BOC(tk)= ˆ2         ˆ2         ˆ2        ˆ2          ˆ2         ˆ2         ˆ2

IE BPSK + QE BPSK +IEBOC+QEBOC + IL BPSK + QL BPSK +ILBOC+QLBOC

uˆ u ДωBPSK (BOC)

ˆ

^(tk ^{) = I} P BPSK ( B OC)

( k Q PBPSKBOC, ^{( k} 1 ) I P BPSK ( B OC) ^{( k 1 ) Q}P BPSK ( B OC)

( k ) ,

й_Дю        (чНрврзк     ( k )Qpbря- k - 1) - IpB psA k ~ 1)Qpbpsk+ k ) +               (5)

ДωBPSK+BOC k     P BPSK P BPSK    P BPSK         P BPSK       P BPSK

ˆ

+ IP BOC

(k)Qpboc(k -1)-Ipboc(k - 1)Qpboc (k), где I и Q - синфазные и квадратурные, несдвигаемые, опережающие и запаздывающие со- ставляющие при наличии помехи.

Подавая аддитивную смесь сигнала и помехи на вход модели приемника c псевдодоплеров-ским смещением частоты и рассогласованием сигнала и опорной последовательности, равной нулю, определяем флуктуационные характеристики каналов слежения за задержкой и частотой [8], которые описываются следующими соотношениями:

D T =M [ ( и Дт - u ^{( T} - ^T ) ) 2 ] L_r = 0, τ

На рис. 2 и 3 представлены флуктуационные характеристики следящих систем за задержкой и частотой для ширины спектра помехи 5 МГц ( а ), 10 МГц ( б ), 15 МГц ( в ) соответственно.

Вычисленные дисперсии шума на выходе временных и частотных дискриминаторов согласно следующим выражениям:

D Шт = { u Дт -{ u Дт } }D шт = { u Дю— { u дт }2 }

сравниваются с пороговой (в случае нормирования с единицей), и принимается решение о срыве слежения за навигационным сигналом [1, 5, 6].

Вероятность срыва слежения за навигационным сигналом определяется методом ста тистических испытаний [9]:

P = ^{i= 1}

N

^(DШi - 1)

N

где N – количество испытаний.

Регистрирующее устройство моделей исследования оценивает вероятность срыва слежения для различных уровней сигнал-шум, зависимости которых изображены на рис. 4 и 5 соответственно для следящих систем за задержкой и частотой.

Рис. 2. Флуктуационные характеристики дискриминаторов задержки BPSK, ВОС навигационных сигналов для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 10 Мгц; 3 – 15 МГц

Рис. 3. Флуктуационные характеристики частотных дискриминаторов BPSK, ВОС навигационных сигналов для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 10 Мгц; 3 – 15 МГц

Рис. 4. Зависимости вероятности срыва слежения за BPSK, ВОС навигационными сигналами от отношения сигнал-шум на входе канала слежения за задержкой огибающей для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 10 Мгц; 3 – 15 МГц

Среднее время до срыва слежения за навигационным сигналом определяется как модельное время, в момент которого напряжение на выходе следящей системы при воздействии помехи превышало заданный уровень [10].

На выходе временного и частотного дискриминаторов модели навигационного приемника определяются отсчеты напряжения при воздействии шума и динамики движения объекта из расчета изменения задержки и частоты Доплера навигационного сигнала. Отсчеты напряже- – 1167 –

Рис. 5. Зависимости вероятности срыва слежения за BPSK, ВОС навигационными сигналами от отношения сигнал-шум на входе канала слежения за частотой для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 10 Мгц; 3 – 15 МГц ния на выходе следящей системы за задержкой и частотой сравниваются с порогом, который определяется из расчета максимального напряжения рассогласования на выходах временного и частотного дискриминаторов в пределах ширины апертуры раскрыва дискриминационной характеристики. В процессе расчетов модельное время жестко привязывается к реальному времени.

Выражение, описывающее среднее время до срыва слежения за навигационным сигналом, запишем в виде

N

А tk tcP = i=1—,                                                               (16)

ср N где tk - модельное время, в момент которого напряжение на выходе следящей системы при воздействии помехи превышает заданный порог в каждом из N опытов [9].

Таким образом, при превышении ошибки слежения заданного порога (к примеру, в нашем случае 30 м = ширине взлетно-посадочной полосы) принимается решение о модельном времени t k , при котором происходит срыв слежения за навигационным сигналом, жестко привязанному к реальному времени [10].

На рис. 6 и 7 приведены зависимости среднего времени до срыва слежения за навигационным сигналом от отношения сигнал-шум на входе объединённой следящей системы за задержкой и частотой для ширины спектра помехи 5 МГц ( а ), 10 МГц ( б ), 15 МГц (в ) на центральной частоте и для ширины спектра помехи 2,5 МГц ( г ) и 5 МГц ( д ) при воздействии на перспективный навигационный сигнал на поднесущей частоте.

Предложенные методики определения статистических характеристик помехоустойчиво -сти по показателям вероятности срыва слежения и среднего времени до срыва слежения за на-

Рис. 6. Зависимости среднего времени срыва слежения за BPSK, ВОС навигационными сигналами на несущей частоте от отношения сигнал-шум на входе объединенного канала слежения для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 10 Мгц; 3 – 15 МГц

Рис. 7. Зависимости среднего времени срыва слежения за BPSK, ВОС навигационными сигналами на поднесущей частоте от отношения сигнал-шум на входе объединенного канала слежения для ширины спектра помехи: 1 – 5 МГц; 2 – 2,5 Мгц вигационным сигналом перспективной мультисистемной многоканальной НАП ГНСС и анализ приведенных выше зависимостей при воздействии ЧМШ помехи различной интенсивности и различной шириной спектра, соизмеримой с шириной спектра исследуемых навигационных сигналов, позволяют утверждать об увеличении помехоустойчивости перспективного навигационного приемника ГНСС на 3÷6 дБ [1, 2, 5, 6, 10], а соответственно, и боевой эффективности БНК БЛА при радиоэлектронном противодействии.