Способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF A GROUND SATELLITE COMMUNICATION STATION BY A RETRANSMITTED SIGNAL

Способ относится к радиотехнике, а именно к способам определения местоположения источников радиоизлучения, и может быть использован для определения местоположения земных станций (ЗС) спутниковой связи (СС) посредством приема и обработки их сигналов, ретранслированных от космических аппаратов (КА), т.е. на земной станции определения местоположения (ЗCOM).
Известен способ определения местоположения ЗС СС по ретранслированному сигналу (см. Пат.РФ №2172495, МПК G01S 5/00 (2000.01), G01S 5/06 (2000.01). Опубл. 20.08.2001 г., бюл. №23).
i
i
В способе-аналоге принимают сигнал от ЗС на приемной земной станции (ПЗС), измеряют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для всей трассы «ЗС - спутник - ПЗС» в соответствующие моменты времени t с шагом Δt, обрабатывают их. На основе обработки вычисляют значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы «ЗС - спутник». Общее число Q измеренных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы «ЗС - спутник - ПЗС» и вычисленных значений доплеровского сдвига частоты сигнала для трассы «ЗС - спутник» выбирают из условия , а значение Δt выбирают в пределах Δt=30 … 6000 с. Запоминают упомянутые Q значения и соответствующие им моменты времени t. Вычисляют размер максимальной пеленгационной базы (ПБ), причем ПБ являются различные пары точек орбиты спутника, запоминают его. Группируют попарно все возможные сочетания ПБ на интервале упомянутых Q значений с шагом n=ΔT/Δt, где ΔT - временной шаг формирования ПБ. Сравнивают размеры ПБ в сгруппированных парах с пороговым значением, выделяют пары ПБ, в которых обе ПБ не короче порогового значения. Измеряют угол между ПБ в выделенных парах ПБ, сравнивают измеренный угол с пороговым значением. Выбирают пары ПБ, в которых измеренный угол между ними не менее порогового значения, и для каждой из выбранных пар ПБ интегрируют на соответствующем каждой ПБ интервале времени запомненные значения доплеровского сдвига несущей частоты сигнала для трассы «ЗС - спутник». Определяют разностно-дальномерным способом (РДС) местоположение ЗС.А после определения местоположения запоминают координаты ЗС, усредняют запомненные координаты, а результат усреднения определяют как окончательное местоположение ЗС.
Недостатком способа-аналога является высокий уровень погрешности при определении координат. Это обусловлено тем, что аналог предполагает реализацию процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах ПБ. На практике сложно обеспечить приемлемую точность данных измерений. Способ-аналог предполагает реализацию не менее 100 измерений значений доплеровского сдвига частоты сигнала. Кроме того, аналог обладает низкой помехозащищенностью, когда «зеркальный» КА получает сигналы на заданной для измерений частоте.
s
н
s
s
s
s,k
s,k
s
s,k
s,k
s
s,k
s+1
k
k+1
k
k+1
k
k+1
Известен способ определения местоположения земной станции спутниковой связи (см. Пат. РФ №2653866, МПК G01S 5/06 (2006.01), опубл. 16.05.2018, бюл. №14). Аналог предполагает одновременную регистрацию последовательности отсчетов уровней полезных сигналов ЗС y(n) и побочных излучений x(n), принимаемых на интервале наблюдения T ЗСМО, где n=1, 2, … ,N, N - номер отсчета с шагом Δt, s=1, 2, ..… , s - номер КА с известными координатами. На основе сравнения y(n) и x(n) формируют одномерные массивы: A с элементами A(k) - 1, если y < y-, A(k) = 1, если y > y+1, A(k) = 0, если y = y и B с элементами В(k) = 1, если x < x, B(k) = -1, если x > x, B(k) = 0, если x = x, где k = 1, 2,…,N - 1. Для каждой пары массивов As и В суммируют полученные значения признаков и определяют количество совпадений элементов с одинаковыми индексами Ws. Местоположение источника побочных излучений (ИЛИ) определяют путем привязки к координатам ЗС СС, работающий через КА, подверженный воздействию побочных излучений.
Аналог обеспечивает упрощение реализации с устранением ограничения функциональности на территории с высокой плотностью размещения ЗС при определении местоположения ИПИ.
Способу-аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Реализация аналога предполагает наличие информации о точном местоположении легитимных ЗС СС, работающих через один КА. Низкая оперативность измерений обусловлена необходимостью выполнения Q измерений для получения одной координаты. Аналогу присуща низкая помехозащищенность в условиях воздействия помех различной природы.
1,2
1,3
1,2
1,3
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является способ определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу (см. Пат. РФ №2663193, МПК H04K 3/00 (2003.01), опубл. 02.08.2018, бюл. №22). В способе-прототипе используют земную станцию определения местоположения в составе трех антенн Ант 1, Ант 2 и Ант 3, многоканального когерентного радиоприемника (РПУ) и радиопередатчика (РПД), с помощью которого формируют и излучают тестовый радиосигнал (ТРС) во всей полосе рабочих частот КА, когерентно принимают на интервале времени AT с помощью РПУ и запоминают его ретранслированные копии не менее чем от трех космических аппаратов КА 1, КА 2 и КА 3 с известными координатами, находящимися в зоне электромагнитной доступности ЗСМО и ЗС. Сигналы КА через соответствующие им антенны Ант 1, Ант 2 и Ант 3 поступают на соответствующие входы многоканального когерентного РПУ. Компенсируют частотную нестабильность каждого из когерентных каналов многоканального РПУ. Вычисляют наклонную дальность от ЗСМО до КА 1, КА 2 и КА 3, на основе которой корректируют координаты космических аппаратов КА 1, КА 2 и КА 3. Осуществляют когерентный прием ретранслированных копий сигналов от заданной ЗС. Измеряют задержки в приеме сигналов ЗС Δτ и Δτ корреляционным методом с направлений на космические аппараты КА 1, КА 2 и КА 1, КА 3 соответственно. Запоминают полученные значения Δτ и Δτ. Определяют местоположение ЗС разностно-дальномерным способом.
Прототип обеспечивает снижение погрешности измерения координат ЗС за счет исключения процедур измерения значений доплеровского сдвига частоты сигнала и связанных с ними процедур измерения угла между ПБ в выделенных парах пеленгаторных баз.
Однако прототипу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Основным из них является низкая помехозащищенность. Имеет место ситуация, когда сигнал ЗС приходит на «основной» КА по главному лепестку ДН в условиях низкого соотношения сигнал / шум. В качестве одной из причин могут являться преднамеренные помехи (см. Пат. РФ №2707878, H04K 3/00, G01S 5/00, опубл. 02.12.2019, бюл. 34). Другая причина обусловлена неоптимальным в силу разных причин размещениям ЗCOM относительно местоположения ЗС. Кроме того, появление в заданной части спектра «зеркального» КА легитимного сигнала резко ухудшает сигнально-помеховую обстановку. Сигнал ЗС на КА приходит по боковому лепестку диаграммы направленности (ДН) и значительно уступает по мощности легитимному сигналу КА. Поэтому прототип при их возникновении теряет работоспособность.
Целью заявляемого технического решения является разработка способа определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному сигналу посредством РДС, обеспечивающего повышение помехозащищенности измерения координат ЗС за счет выделения из шумов сигнала ЗС в основном КА, анализе, формирования его копии с точностью до фазы с большим уровнем и свободной от шумов и помех.
1,2
1,3
1,2
1,3
j
i
j
i
jш
i
i
j
i
j
i
i
i
1
i
1ш
i
min
i
i
min
1
i
i
i
1
i
1ш
i
1ш
i
i
i
i
1
i
1ш
i
1,j
i
Поставленная цель достигается тем, что используют земную станцию определения местоположения в составе трех антенн Ант 1, Ант 2 и Ант 3, многоканального когерентного радиоприемника и радиопередатчика, формируют и излучают РПД тестовый радиосигнал во всей полосе рабочих частот KAΔF, осуществляют когерентный прием РПУ на интервале времени ΔT и запоминают его ретранслированные копии не менее чем от трех космических аппаратов КА 1, КА 2 и КА 3 с известными координатами, находящимися в зоне электромагнитной доступности ЗСМО и ЗС, сигналы КА через соответствующие антенны Ант 1, Ант 2 и Ант 3 поступают на соответствующие входы многоканального когерентного РПУ и используют для компенсации частотной нестабильности каждого из когерентных каналов многоканального РПУ по результатам приема ТРС, вычисляют наклонную дальность от ЗCOM до КА 1, КА 2 и КА 3, корректируют на их основе координаты космических аппаратов КА 1, КА 2 и КА 3, осуществляют когерентный прием ретранслированных копий сигналов от заданной ЗС, измеряют задержки в приеме сигналов ЗС Δτ и Δτ корреляционным методом с направлений на космические аппараты КА 1, КА 2 и КА 1, КА 3 соответственно, запоминают полученные значения Δτ и Δτ, определяют местоположения ЗС разностно-дальномерным способом. Перед каждым измерением координат ЗС формируют и излучают ТРС в заданной полосе частот ΔF. Устраняют частотную нестабильность каждого из когерентных каналов. Сравнивают измеренные и запомненные совокупности уровней (ΔF) сигнала ЗС W(ΔF) и шумов W(ΔF) каждого j-го КА, j = 2,3, (ΔF) = W(ΔF)+W(ΔF), в полосе частот ΔF, с совокупностью уровней (ΔF) сигнала ЗС W(ΔF) и шумов W(ΔF) в первом, основном КА. В случае превышения порогового уровня W, Mod((ΔF)) - Mod((ΔF) ≥ W, хотя бы для одного j-го КА выделяют сигнал ЗС S(ΔF) в первом КА из совокупности (ΔF), где (ΔF)=S(ΔF)+S(ΔF), S(ΔF) - распределенный в ΔF шумовой сигнал и возможные сосредоточенные излучения, формируют его копию с точностью до фазы (ΔF) с большим уровнем, (ΔF)>W(ΔF), и свободной от шумов S(ΔF), а измерение задержки Δτ выполняют корреляционным методом с использованием в качестве сигнала основного КА (ΔF).
1
i
i
При этом выделение сигнала ЗС в первом КА S(ΔF) осуществляют с помощью адаптивной фильтрации и последующим выполнением на первом этапе оценки его основных характеристик: рабочей полосы частот, значения несущей частоты, вида модуляции и манипуляции, скорости манипуляции, и на их основе демодуляции сигнала, с последующим восстановлением сигнала ЗС (ΔF) на втором этапе с точностью до фазы и его усиление до значения, обеспечивающего определение координат ЗС.
В случае использования сигналов с временным разделением каналов или псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, которые не подлежат восстановлению, выделение сигналов ЗС S1(AFi) не осуществляют.
Заявляемый способ поясняется чертежами:
на фиг. 1 показаны условия, когда в зоне ЭМД ЗС и ЗСМО находятся три космических аппарата КА 1, КА 2 и КА 3, работающие в режиме ретрансляции сигналов. Здесь пунктирной линией показаны трассы прохождения ТРС, а сплошной линией - трассы прохождения сигнала ЗС, ретранслированного от КА 1, КА 2 и КА 3;
на фиг. 2 приведен обобщенный алгоритм определения местоположения земной станции спутниковой связи по ретранслированному каналу;
1
i
i
на фиг. 3 приведен обобщенный алгоритм выделения сигнала ЗС в первом КА S(ΔF) из группового спектра (ΔF);
на фиг. 4 показаны результаты моделирования зависимости нормированного коэффициента корреляции от ослабления сигнала ЗС по «зеркальному» каналу для различных значений отношения сигнал / шум в основном канале.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Для устойчивого получения корреляционного пика сигналов основного и «зеркального» КА необходимо выполнение следующих условий: соотношение сигнал / шум в основном спутнике должно быть достаточно высоким, в то время как в «зеркальном» КА соотношение шум / сигнал должно быть ниже
min
где W - по результатам экспериментов составляет ~50 дБ.
i
осн
Например, если сигнал под шумами в «зеркальном» КА находится на уровне - 50 дБ, а соотношение сигнал / шум в основном спутнике составляет 8 дБ, то энергетика геолокации составит 42 дБ, что обеспечит построение линии положения. Пусть в полосе ΔF сигнала ЗС на «зеркальном» КА присутствует свой полезный сигнал, например, мощность 30 дБ. В результате суммарная мощность в «зеркальном» КА составляет 80 дБ, а энергетика геолокации 72 дБ. В результате построение линии положения не обеспечивается. Аналогичная проблема возникает в условиях низкого соотношения сигнал /шум W → 0 в спектре основного КА, на который сигнал ЗС будет приходить по основному лепестку ДН.
осн
j
п
п
1
i
i
1
i
ш1
i
п1
i
ш1
i
i
п1
i
i
1
i
i
1
i
Возможно одновременное проявление обеих негативных ситуаций: W → 0, =W+W, где W - мощность помехового сигнала (наихудшая сигнализация), j=2, 3. Дальнейшему рассмотрению подлежит этот вариант измерения координат ЗС. В этих условиях оценка координат возможна путем выделения на первом этапе сигнала ЗС S(ΔF) из совокупности (ΔF)=S(ΔF)+S(ΔF)+S(ΔF), где S(ΔF) - шумовой сигнал первого КА в полосе ΔF, S(ΔF) - помеховый сигнал первого КА в полосе ΔF. На его основе выполняют оценку характеристик S(ΔF): рабочей полосы частот, значения несущей частоты, вида модуляции и манипуляции, скорости манипуляции, и далее демодуляцию сигнала. На основе полученных данных восстанавливают сигнал основного КА с точностью до фазы (ΔF) и усиливают до значения, обеспечивающего определение координат ЗС (выполнение условия (1)). Следует отметить, что минимальный уровень сигнала S(ΔF) после его фильтрации и анализа должен обеспечивать его демодуляцию.
1,2
1,3
осн
пj
В результате становится возможным измерение задержек Δτ и Δτ при W → 0 и наличии помехового сигнала S в j-м КА, j=2, 3.
Предельно допустимая эффективность применения известных методов помехоустойчивости ограничивается современным уровнем развития элементной базы и составляет 30-40 дБ (см. Никитченко В.В., Смирнов П.Л. Оценка пространственно-поляризационных параметров сигналов и помех при приеме излучений с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты // Радиотехника и электроника. Т. 35, №4, с. 767-774, 1990). Повышение помехоустойчивости может быть достигнуто различными путями, из которых наиболее эффективным является применение многоканальных компенсаторов помех (Комарович В.В., Никитченко В.В. Широкополосные адаптивные компенсаторы помех. - Л: ВАС, 1988. - 116 с.).
В настоящее время широкое распространение получили мультиспутниковые системы геолокации, использующие два или более КА (см. фиг. 1) при определении местоположения ЗС. Для их функционирования необходимо выполнение ряда требований. К последним относятся: наличие как минимум двух дополнительных спутников-ретрансляторов («зеркальных» КА), которые имеют одинаковые частоты восходящей линии связи, поляризацию антенной системы и зону покрытия. Кроме того, требуется знание точного положения всех задействованных в измерениях КА.
Мультимедийная архитектура определения местоположения ЗС предполагает использование разностно-дальномерного, разностно-доплеровского способов или их комбинаций (см. Chan М. Application of a dual satellite geolocation system on location sweeping interference // World Academy of Science, Engineering Technology. - 2012. T. 6, # 9, p.1029-1034).
Спутник-ретранслятор КА 1 является «основным», так как он обеспечивает ретрансляцию сигнала по основному лепестку ДН. Второй и третий КА являются смежными, находятся на некотором удалении от КА 1 и способны передавать то же излучение, полученное по боковым лепесткам ДН ЗС, но с большим затуханием.
Если ЗCOM находится в зоне ЭМД, формируемой антенными системами названных КА (см. фиг. 1), то ее многоканальное РПУ сможет принимать сигналы от этих КА. Для этого к каждому каналу многоканального РПУ подключены антенны, направленные на соответствующие КА, чем и обеспечивают прием заданных сигналов ЗС, ретранслированных от КА 1, КА 2 и КА 3.
jш
jш
Перед началом измерений определяют уровень шумов W(ΔF) на выходе каждого j-го КА (j-го канала РПУ) во всей полосе его рабочих частот ΔF. Полученные значения W(ΔF) запоминают.
В интересах повышения точности измерения координат ЗС (см. фиг. 2) аналогично с прототипом корректируют значение наклонной дальности от ЗCOM до КА 1, КА 2 и КА 3, компенсируют частотные нестабильности когерентных каналов многоканального РПУ. С этой целью формируют ТРС с известными параметрами и излучают посредством РПД. После его ретрансляции от КА посредством Ант 1, Ант 2 и Ант 3 принимают когерентным РПУ и с помощью процедур корреляции (излученного ТРС и его принятых ретранслированных копий) вычисляют величины задержек, характеризующие наклонную дальность от ЗСМО, соответственно, до КА 1, КА 2 и КА 3.
Наклонную дальность между ЗСМО и j-м КА рассчитывают по формуле
где  - рассчитанное значение задержки принятого после ретрансляции ТРС через j-й КА, с - скорость света. Кроме того, по результатам искажений принятых версий ретранслированного ТРС, полученных при прохождении соответствующих трактов приема многоканального РПУ, выполняют коррекцию амплитудно-частотных характеристик каждого из приемных каналов в полосе частот ΔF Реализация этих процедур известна (см. Пат. РФ №2172495, МПК G01S 5/00 (2000.01), G01S 5/06 (2000.01), опубл. 20.08.2001, бюл. №23); Волков Р.В. и др. Основы построения и функционирования разностно-дальномерных систем координатометрии источников радиоизлучения. - СПб: ВАС, 2013. - 116 с). В свою очередь, определение зон ЭМД, формируемых антенными системами КА, известно (см. Челышев В.Д., Якимовец В.В. Радиоэлектронные системы административного и военного управления. Часть первая. Радиоинтерфейсы систем мобильного радиосервиса: Учебник. - СПб: ВАС, 2006. - 576 с).
i
Далее в течение интервала времени ΔT осуществляют параллельный когерентный прием ретранслированных КА копий сигналов в полосе частот в полосе ΔF от заданной ЗС. Реализация данной процедуры широко освещена в литературе (см. Андропов И.С., Финк Л.М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. - М.: Сов. Радио, 1971. - 406 с).
После этого осуществляют проверку на возможность формирования корреляционной свертки сигналов ЗС, принятых первым и j-м КА (выполнение условия (1)). В случае его невыполнения хотя бы для одного «зеркального» КА выделяют сигнал ЗС, принятый от первого КА.
ρ
н
1
i
i
i
1
i
1
i
1
i
Выделение сигнала ЗС первого КА осуществляют с помощью адаптивной фильтрации путем выполнения на первом этапе оценки его основных характеристик: рабочей полосы частот ΔF, значения несущей частоты f, вида модуляции и манипуляции, скорости манипуляции и на их основе демодуляции сигнала (фиг. 3). Реализация этих операций известна и сложностей не вызывает (см. Пат. РФ №2619716, №2627846, №2619717, №2665235, МПК G06N 3/02, Н04 227/32, №2423735, МПК G06K 9/00). На основе полученных данных на втором этапе принятый на интервале ΔT сигнал ЗС S(ΔF) восстанавливают (формируют его копию) с точностью до фазы (ΔF) с большим уровнем, (ΔF)>W(ΔF), и свободный от шумов и помех. Минимальный уровень сигнала S(ΔF) после фильтрации и анализа определяется возможностью его демодуляции. В противном случае дальнейшая обработка S(ΔF) завершается.
Реализация второго этапа обработки сигналов ЗС известна и трудностей не вызывает (см. Воробьев М.С. Устройства генерирования радиосигналов: Учебное пособие. - Лурье, 2005. Электронный ресурс http://eknigi.org/apparatura/67240. Обращ. 21.09.2020; Имитатор радиосигналов с различными видами модуляции «Аврора-3» // Техника для спецслужб. Электронный ресурс www.bnti.ru/des.asp?itm-5247&tbl. Обращ. 21.09.2020).
j
i
j
i
i
j
i
j
После этого выполняют проверку на возможность формирования корреляционной свертки D=(ΔF) ⋅ S(ΔF) между сигналами ЗС первого  (ΔF) и j-го S(ΔF) КА (выражение 1), j=2, 3. При отрицательном ее результате дополнительно усиливают сформированную копию сигнала ЗС первого КА до выполнения условия (1) для всех «зеркальных» спутников. Для выполнения названной проверки может быть использована собственно корреляционная функция D
зад
1,j
где d - заданный на подготовительном этапе пороговый уровень корреляционной функции, при котором обеспечивается определение с заданной точностью сигнала ЗС Δτ, а следовательно и ее координат.
1,2
1,3
В результате выполнения названных операций становится возможным определение временных задержек Δτ и Δτ, которые выполняют в условиях существенного улучшения отношения сигнал / шум в первом КА.
Определение местоположения ЗС РДС выполняют аналогично способу-прототипу. Для этого используют алгоритм, применяемый для позиционных способов координатометрии (см. Дворников СВ., Саяпин В.Н., Симонов А.Н. Теоретические основы координатометрии источников радиоизлучений. - СПб.: ВАС, 2007).
Последний включает следующие этапы:
измерение одного из координатно-информационных параметров (КИП) радиосигналов ЗС, ретранслированных КА;
определение параметров положения, соответствующих каждому КИП;
построение линий (поверхностей) положения по его параметрам;
определение местоположения ЗС на поверхности линий (поверхностей) положения.
Физические координаты ЗС находят из системы уравнения, приведенной в Пат. РФ №2663193, стр. 6, решение которой известно (см. Севидов В.В. Варианты реализации разностно-дальномерного метода определения координат земных станций по сигналам спутников-ретрансляторов в сборнике: Радиотехника, электроника и связь (РЭиС - 2005) Международная научно-техническая конференция. - СПб.: ВАС, 2015. С. 303-308).
a
Оценка эффективности предлагаемого способа выполнена на основе моделирования в среде Матлаб (см. фиг. 4). Исходными данными для моделирования являются отношение сигнал / шум для основного КА  и ослабление сигнала по «зеркальным» КА . Ослабление сигнала ЗС по «зеркальному» каналу лежит в пределах от -25 дБ до -50 дБ. При этом отношение сигнал / шум в основном канале  5 дБ и 10 дБ. Полоса сигнала ЗС составила 1 МГц. Моделирование выполнено на интервале времени T=1 с для сигнала с QPSK модуляцией.
На фиг. 4 приведена зависимость нормированного коэффициента корреляции от ослабления по «зеркальному» каналу для случаев без обработки сигнала в прямом канале (прототип) и с обработкой сигнала ЗС (фильтрацией из помех) в прямом канале приема для отношения сигнал /шум в основном канале 5 и 10 дБ.
Из рассмотрения фиг. 4 можно сделать следующие выводы. Предлагаемый способ целесообразно использовать в ситуациях, когда ослабление сигнала ЗС по «зеркальному» каналу превышает - 35 дБ. В противном случае уровень сигнала ЗС в «зеркальном» канале достаточен для формирования качественной корреляционной свертки и необходимость в реализации предлагаемого способа отпадает. При ослаблении сигнала ЗС по «зеркальному» каналу - 50 дБ и более возникает необходимость в усилении выделенного сигнала в основном канале приема для сохранения работоспособности предлагаемого способа. Однако при этом должно выполняться условие: после фильтрации сигнала ЗС качество последнего должно обеспечивать его демодуляцию. В противном случае не удастся сформировать его точную копию.
Полученные результаты свидетельствуют о возросшей помехозащищенности определения координат ЗС в предлагаемом способе по сравнению с прототипом для ситуаций, представляющих наибольший практический интерес (ослабление по «зеркальному» каналу att ≥- 40дБ). Так, для att = - 55дБ выигрыш по значению нормированного коэффициента корреляции при обработке (восстановлению) сигнала ЗС в основном канале составляет 22% и 17% для отношения сигнал / шум в основном канале 5 и 10 дБ соответственно.