2. Защита от помех

Мероприятия по защите от помех определяются конкретными применениями аппара­туры СРНС. Действительно, во многих применениях вероятность помех низка и, следова­тельно, пренебрежение ими несущественно. Например, неправдоподобно, чтобы наземный телевизионный передатчик мешал приемнику GPS на борту танкера посреди Атлантики. И, если приемник автомобиля, следующего по оборудованной дороге, подвергается воздейст­вию помех на участке в два километра, водитель может этого даже не заметить.

Но в некоторых случаях их влияние серьезнее. Если узкий вход в гавань часто оказы­вается в условиях плохой видимости, последствия продолжительных помех судовым прием­никам СРНС могут быть катастрофическими.

Существует ряд направлений борьбы с помехами. Одно из них - защита диапазона сиг­налов СРНС от вторжения в него других систем. Регулирование всего спектра частот, ликви­дация противоречий и достижение компромиссов обеспечивается на международной основе МСЭ. МСЭ рассматривает сигналы GPS и ГЛОНАСС, как сигналы Радионавигационной спутниковой службы (РСС), использующей радиоизлучения передатчиков КА для целей оп­ределения положения, скорости и других параметров в интересах навигации. РСС занимает все эти диапазоны на первичной основе. Этот статус обеспечивает защиту диапазона от пося­гательств других служб. Однако недавно международный оператор спутниковой связи Ин- марсат при поддержке Европейского бюро по радиосвязи предложил МСЭ передать часть диапазона РСС 1559-1610 МГц Подвижной спутниковой службе (ПСС). Это предложение, в частности, означает, что участок 1559-1567 МГц для ПСС частично перекрывал бы полосу GPS. Существующие гражданские приемники GPS не смогут работать в соответствии с задан­ными требованиями, если ПСС займет этот диапазон [1,2]. Но особенно болезненным это бы­ло бы для ГЛОНАСС. Специалисты требуют более тщательно учитывать интересы как суще­ствующих, так и создаваемых радиосредств так, чтобы заранее исключать помехи друг другу.

Важным этапом в борьбе с воздействием помех является распознавание помех. Име­ются некоторые рекомендации по распознаванию помех, но при этом учитывается, что раз­личные приемники на помехи реагируют по-разному [1]. Иногда устройство просто переста­ет выдавать информацию о месте на дисплей. Показания дисплея могут "застывать". Возмо­жен переход устройства в режим автономного счисления. Каковы бы ни были конечные ре­зультаты влияния помех, потребитель вправе рассчитывать на возможно более раннее преду­преждение о приближении отказа. Это может быть, например, индицируемое отношение сигнал/шум, показывающее ухудшение надежности при увеличении интенсивности помехи. Число НКА, за сигналами которых осуществляется слежение, также может указывать начало ухудшения условий навигационных определений. Некоторые приемники обращают внима­ние потребителя на это посредством свиста или гудка ("бипа")- Однако, другие могут вообще не выдавать предупреждений. Поэтому потребитель должен познакомиться у производителя с симптомами и признаками возможных помех. В более сложных случаях автоматизирован­ного использования данных СРНС прибегают к автоматическим обнаружителям помех, ис­пользующим развитые алгоритмы теории статистических решений.

От производителей также требуется более осознанная позиция в вопросе защиты от помех, обеспечиваемой их оборудованием. Можно отметить следующие основные направле­ния повышения помехоустойчивости спутниковой аппаратуры по крайней мере для наиболее важных подвижных средств:

• использование внешних или внутренних обнаружителей помех;

• создание специальных схем подавления помех (фильтров, развязок, алгоритмов обра­ботки и т.д.);

• создание приемников сигналов как GPS, так и ГЛОНАСС с учетом накопленного опы­та работ ряда фирм (гл. 9);

• использование алгоритмов сглаживания кодовых измерений с привлечением измере­ний фазы несущей;

• использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых ан­тенных систем, в том числе с "нулями" в направлении на помеху;

• использование информации автономных и других систем на борту подвижных средств для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников СРНС;

• взаимодействие с создателями транспортных (прежде всего авиационных) средств, проведение тщательных работ по обеспечению электромагнитной совместимости бор­тового оборудования и интеграция аппаратуры СРНС с такими автономными средст­вами, как инерциальная навигационная система, курсо-доплеровская система и т.д.

В борьбе с помехами приемным устройствам потребителей СРНС в последнее время получен ряд важных результатов. Так, использование некоторых из указанных выше путей подавления помех позволило фирме Mayflower Comm. Co., США, создать специальные сред­ства для 18-канального приемника RGR 6000, реализующие коэффициентом подавления по­рядка 35 дБ [9].

Повышение помехоустойчивости достигается также за счет разумного синтеза радио­частотной части, устройств преобразования "аналог-цифра" и канальных алгоритмов (для вычисления отношения сигнал-шум, адаптивной регулировки порога при вхождении в режим слежения). Эти меры использованы при создании приемника GG-24 Ashtech [10]. В [11] опи­сан авиационный приемник, реализующий такие меры для удовлетворения высоких требова­ний и рекомендаций RTCA и ARINC и осуществляющий эффективное подавление мешаю­щих сигналов систем Иридиум и др.

В работе [12] описаны цифровые подавители помех компенсационного типа с квадра­турной обработкой разности между входным сигналом и соответствующей копией оценки помехи, реализованные в приемниках фирмы Javad Positioning Systems.

Работа [13] содержит результаты исследований рациональных путей построения схем слежения за частотой и фазой сигнала, обеспечивающих точность и помехозащищенность измерений радионавигационного параметра (РНП), а в [14] приводятся соотношения, связы­вающие точность измерений РНП со спектральными характеристиками помех. Работа [15] посвящена влиянию будущего гипотетического закрытого сигнала GPS L1 диапазона на ра­боту обычных гражданских приемников.

Отметим, что Комиссия Президента США по критическим элементам инфраструктуры, рекомендовала Министерству транспорта провести более полную оценку уязвимости GPS при воздействии помех различного происхождения прежде, чем будет принято решение о прекра­щении работы других радионавигационных и посадочных систем [16]. В этом ключе необхо­димо рассматривать работы по оценке внутрисистемных помех GPS [17], по воздействию на каналы GPS и каналы WAAS сигналов систем ПСС [18, 19]. В [20] рассматривается воздейст­вие и способы подавления помех приемником GPS, работающим в стационарных условиях городской высотной застройки и используемым для синхронизации наземных систем. Вопро­сам контроля уровня помех на контрольных станциях WAAS посвящена работа [21].

Вопросами обеспечения помехозащищенности аппаратуры GPS обеспокоено Мини­стерство обороны США, что стимулировало проведение в этом направлении большого коли­чества работ. Так, в [22] рассматривается возможность использования в сложной помеховой обстановке псевдоспутников, прием сигналов которых позволит облегчить вхождение в ре­жим слежения за сигналами GPS. В [23] предлагается вариант прямого ускоренного вхожде­ния в режим слежения с помощью Р(У)-кода, а в [24] исследуются влияние скачков фазы не­сущей частоты сигнала на работоспособность аппаратуры. В [25] оцениваются пути рацио­нального построения преобразователей "радиочастота-код", предназначенных для борьбы с помехами. В [26] приведены результаты полунатурного моделирования 7-элементной фази­рованной антенной решетки с "нулями" диаграммы направленности на источники помех. Решетка смонтирована на модели самолета F-16 в 1/8 натуральной величины. В эксперимен­тах использовался источник облучения с частотой, превышающей частоту GPS в 8 раз. Пока­зана возможность подавления помех более, чем на 30 дБ. В [27] описаны итоги исследования алгоритмов пространственно-временной и частотно-временной обработки сигналов, прини­маемых приемником этого же самолета. Работа [28] содержит результаты интеграции встраиваемого модуля GPS и сравнительно дешевой ИНС с использованием сильно связан­ной схемы комплексирования. Работа автора сигнала GPS Дж. Спилкера и К. Орра [29] со­держит материалы исследований возможностей построения с помощью методов мажоритар­ной логики новых кодов для перспективных закрытых военных сигналов GPS, позволяющих повысить помехозащищенность системы.

В работе [30] приведены результаты создания управляемой антенной решетки для объектов с ограниченными габаритами (легкие самолеты, управляемая авиабомба JDAM и др.). Для иллюстрации проблемы в целом на рис. 10.1 помещены графики, характеризующие отношение шум/сигнал для частоты L1 закрытого сигнала GPS при мощностях передатчика помех соответственно 0,1 Вт, 1 Вт, 10 Вт и 100 Вт, как функции удаления передатчика помех от потребителя, а также пороговые отношения шум/сигнал, при превышении которых нару­шается работоспособность приемника. При использовании сигнала с С/A-кодом для поиска и вхождения в режим слежения пороговое отношение помеха/сигнал составляет 22 дБ. При прямом использовании для этого сигнала с Р(У)-кодом это отношение составляет 34 дБ. Пер­спективные более совершенные способы обработки сигналов позволяют рассчитывать на повышение такого показателя до уровня 44 дБ. Как следует из рис. 10.1, даже сравнительно маломощные источники помех могут привести к нарушениям работы приемника на сравни­тельно больших взаимных удалениях. По оценке авторов [30], создание и использование ан­тенных решеток с управляемыми диаграммами направленности в состоянии повысить поро-

ДБ

Рис. 10.1. Отношение помеха/сигнал

говое отношение помеха/сигнал до уровня 84 дБ для современных приемников и до 98 дБ для перспективных.

На рис. 10.2 приведена упрощенная схема созданной авторами [30] конструкции четы­рехэлементной решетки. Антенные элементы в виде микрополосковых заплаток укреплены на общей диэлектрической подложке. На рис. 10.2 показаны также блоки управления для формирования заданной диаграммы направленности. Ниже приводятся основные характери­стики такой антенны (табл. 10.1).

Таблица 10.1. Основные характеристики 4-элементной решетки

Параметр	Значение параметра
Центральная частота, МГц	1575,42
Ширина полосы частот, МГц	20
Входной импеданс, Ом	50
Поляризация	Правая круговая
Диаметр антенны, см	15
Конфигурация решетки	Квадратная
Число элементов	4
Тип элемента	Прямоугольный

Антенная решетка

Рис. 10.2. Четырехэлементная антенная решетка

Проведенные в [30] испытания показали, что созданная микроминиатюрная решетка имеет эффективность, аналогичную возможностям полноразмерной антенны с расстояниями (между элементами) в половину длины волны.

О О

Проводятся исследования [31], посвященные моделированию и оценке возможностей более сложных 7-элементной и 19-элементной антенных решеток при подавлении сигналов помех трех и шести широкополосных станций. Исследования выявили возможности подав­ления помех с эффективностью до 50 дБ.

В заключение отметим, что эффекты воздействия помех на спутниковую аппаратуру и меры по повышению ее помехоустойчивости являются предметом интенсивных исследова­ний и разработок, результаты которых широко и регулярно освещаются на наиболее автори­тетных научно-технических конференциях (ION GPS, ION Annual Meeting и др.)