по Редькинским стандартам

5.2. 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 Инмарсат 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

21

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 6opiy подвижных средств для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников СРНС;

22

•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.

Вборьбе 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

23

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 фази-

рованной 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] со-

держит материалы исследований возможностей построения с помощью методов

24

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/А-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 порговое отношение помеха/сигнал до уровня

84 дБ для современных приемников и до 98 дБ для перспективных.	Рис. 10.1.
Отношение помеха/сигнал

На рис. 10.2 приведена упрощенная схема созданной авторами [30] конструкции

25

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.

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.

26

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.)

27

6. Применение СРНС в гражданской авиации полет по маршруту

Использование СРНС в авиации определяется возможностями удовлетворения предъявляемых высоких требований к точности и надежности навигационных определений (см. главу 1). Напомним, что при следовании ВС по маршруту в большинстве случаев требуемая точность (СКО) определения координат составляет от 5,8 км до 200 м [27]. В соответствии с разработанными ИКАО для маршрутного полета ТНХ (RNP) ВС должно находиться с вероятностью 95% (2 СКО) в полосе от

±1,85 до ±37 км. Одновременно в РРНП [27] предъявлены высокие требования по надежности: 0,999 - по доступности и целостности при допустимом времени предупреждения - 10 с.

Учитывая, что точность (СКО) определения координат с помощью ГЛОНАСС и

GPS находится в пределах 35...50 м, бортовая аппаратура этих систем, исходя из указанных соображений, оказывается пригодной для выполнения поставленных задач. В то же время принципы построения и конкретные временные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS по выявлению отказов и оповещению потребителей о возможных нарушениях в работе (главы 2 и 3) напрямую не позволяют считать БА СРНС пригодной к использованию в качестве основного средства навигации ВС без принятия собственных специальных мер по выявлению и исключению измерений,

подверженных нарушениям. Такими мерами, как отмечалось выше, являются разработка и реализация алгоритмов контроля целостности в приемнике (RAIM) и в навигационном комплексе (AAIM).

В главе 9 уже отмечалось, что к настоящему времени различными фирмами

(Allied Signal, Trimble, Garmin, Bendix, Magellan, Collins и др.) разработано достаточно большое число приемников GPS (в основном для обеспечения полета по маршруту, в зоне АЭ и для неточного захода на посадку) с разными характеристиками и потребительскими свойствами. При этом условно можно выделить следующие группы аппаратуры:

•дешевые приемники, выполняющие простые навигационные задачи; их применение требует от летного состава хорошей штурманской подготовки,

28

поскольку в полете осуществляется лишь коррекция места;

•многофункциональные приемники с отображением информации в полете, позволяющие выполнять полет по маршруту по правилам полета по приборам;

•совмещенные приемники GPS/Com, в которых совмещены функции определения местоположения и связи; при этом в автоматическом режиме могут передаваться сигналы SOS, координаты и др.;

•многофункциональные приемники, предусматривающие отображение информации на фоне цифровой электронной карты с выбираемым масштабом и возможности дополнительного определения некоторых навигационных параметров (вектор ветра и др.);

•аппаратура, "стационарно" входящая в состав оборудования ВС.

Заметим, что приемники, входящие в первые четыре группы, являются

индивидуальными средствами летчика.

Многие образцы аппаратуры начали стихийно размещаться и использоваться на ВС различных классов и назначения. Поэтому возникла настоятельная потребность в регулировании этого процесса.

Требования руководящих документов к функциям БА. Основными руководящими рабочими документами, определяющими возможность использования БА GPS, являются документы Федеральной авиационной администрации США TSO

С-129 от 10.12.92 г. "Дополнительное бортовое навигационное оборудование, использующее глобальную систему определения местоположения (GPS)" и Notice N8110.60 от 04.12.95 г. "GPS как основное средство навигации для полетов в океанических и удаленных районах", а также "Стандарт на минимальные рабочие характеристики бортовой авиационной аппаратуры GPS при ее использовании в качестве дополнительного средства" RTCA/DO-208.

Приказом №61 ФАС [28] в России "в целях более эффективного использования спутниковых навигационных систем в практике гражданской авиации и улучшения навигационных характеристик воздушных судов" предписано руководствоваться положениями TSO С-129 и Notice N8110.60 до разработки соответствующей отечественной нормативной базы, а также "Положением о порядке допуска

29

воздушных судов России к полетам в системе зональной навигации (B-RNAV) в Европейском регионе" №3.10-41, утвержденным ФАС России 10.10.97 г.

Учитывая разнообразие созданной техники, в документе TSO С-129 проведена классификация оборудования GPS. Оно разбито на классы А, В, С [28,29].

Бортовая аппаратура (БА) класса А включает приемник GPS и навигационный вычислитель с функцией RAIM, объединенный с пультом индикации и управления (рис. 11.3). БА класса А1 одобрена для обеспечения полета по маршруту, в зоне аэродрома (АЭ) и при заходе на посадку без средств точного захода, кроме курсовых радиомаяков (КРМ), средств наведения типа КРМ и упрощенных радиосредств направленного действия. БА класса А2 одобрена только для обеспечения полета по маршруту и в аэродромной зоне. БА класса А может использоваться на ВС, не оборудованных навигационными комплексами или системой управления полетом

(FMS).

БА класса В представляет собой датчик GPS, который поставляет информацию о параметрах полета в навигационный вычислитель НК или во FMS. БА класса В1 предназначена для обеспечения полета по маршруту, в зоне АЭ, захода на посадку без средств точного захода кроме КРМ, средств наведения типа КРМ и упрощенных радиосредств направленного действия. БА класса В2 предназначена для обеспечения полета по маршруту и в зоне АЭ.

БА классов В1 и В2 должна иметь функцию RAIM (рис. 11.4).

Приемник	Время	Вычислитель	полетом		САУ	управления
СРНС		НК (FMS)
						/*
					Устройства
					индикации,	Т
					сигнализации,	s
			Сигналы RAIM (AAIM)			Сигналы
					управления	ручного
						управления

30