Модель передатчика информации в защищенных глобальных спутниковых радионавигационных системах

SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS

m

RESEARCH

Модель передатчика информации в защищенных глобальных спутниковых радионавигационных системах

Описываются системы спутниковой навигации, проблемы при передаче сигнала и предлагаются пути решения. Приведена модель имитирующая передатчик навигационного сигнала с заранее определенными параметрами.

Ключевые слова: Спутниковые радионавигационные системы, защита сигнала, моделирование, Navstar GPS, ГЛОНАСС, корреляционные характеристики.

Раджабов З.Г., Жук А.П., Орел Д.В.,

Ставропольский государственный университет

На сегодняшний день глобальные спутниковые радионавигационные системы имеют важное значение, поскольку от их функционирования зависит надёжность работы других критических систем. Глобальные спутниковые радионавигационные системы (ГСРНС) применяются в следующих областях:

— оборона и безопасность государства;

— международное сотрудничество в транспортной сфере;

— синхронизация приёмопередатчиков систем радиосвязи (в том числе сетей сотовой подвижной радиосвязи);

— системы охраны и мониторинга подвижных объектов (автомобилей, заключённых, животных и т.д.);

— геодезия и картография;

— другие области применения (строительство, сельское хозяйство и т.д.).

В настоящее время функционируют две глобальные спутниковые радионавигационные системы: российская ГЛОНАСС и американская Navstar GPS. В процессе развёртывания находится третья система — европейская Galileo. Navstar GPS и Galileo используют кодовое разделение каналов (КРК) для навигационных сигналов от различных спутников. Система ГЛОНАСС на данный момент использует частотное разделение каналов, но в перспективе также планируется использовать КРК.

Одной из основных целей модернизации системы Navstar GPS является улучшение корреляционных характеристик используемых сигналов. Среди основных задач модернизации системы ГЛОНАСС выделяют внедрение пере-

довых технологий спутниковой навигации в интересах решения социально-экономических и оборонных задач и обеспечение гарантированного предоставления навигационных сигналов отечественным и зарубежным потребителям [3].

Поскольку глобальные спутниковые радионавигационные навигационные системы все шире применяются в различных сферах деятельности человека, в том числе и в критических, то возникает необходимость их совершенствования, с точки зрения защиты их навигационных сигналов от несанкционированного использования и модификации неавторизованными пользователями.

Вариантом повышения защищённости ГСРНС является повышение структурной скрытности используемых в них широкополосных сигналов. Структурная (сигнальная) скрытность предполагает, что параметры используемых сигналов не известны системе постановки помех или имитации сигналов.

В качестве результатов модернизации можно выделить увеличение числа навигационных сигналов, транслируемых спутниками, а также введение сигналов с кодовым разделением каналов в системе ГЛОНАСС [4]. Структура кодовых последовательностей для новых сигналов в настоящее время окончательно не утверждена, поэтому актуальной остаётся задача поиска последовательностей, обладающих требуемыми характеристиками.

В качестве кодовых последовательностей C/A в системе Navstar GPS используются коды Голда размерности 1023 элемента. При этом

Model of the transmitter of information in the protected global satellite radio navigational systems

Radzhabov Z.G., Zhuk A.P., Orel D.V.,

Stavropol State University

Abstract

Satellite radio navigation system and problem by signal transmission is described, propose a solution this problem. present itself model simulation transmitter navigation signal with predetermine parameter.

Keywords: Satellite radio navigation system, protection signal, simulation, Navstar GPS, GLONASS, correlated behaviour.

High technologies in Earth space research № 2-2011

His

К E S E А К С 11

СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОМ НАВИГАЦИИ

выбраны 32 последовательности, обладающие наилучшими корреляционными характеристиками.

Количество используемых структур сигналов в известных ГСРНС недостаточно для обеспечения высокой структурной скрытности этих систем. Однако из существующих наиболее эффективной, с точки зрения защищенности сигналов, является GPS так как в ней применяется кодовое разделение каналов.

К кодовым последовательностям предъявляются следующие основные требования:

— большой размер ансамблей последовательностей, формируемых на единой алгоритмической основе;

— сбалансированность структуры последовательностей (соотношение числа "1" и "0" в последовательности);

— оптимальность АКФ и ВКФ последовательностей в ансамбле [5].

Целью данной работы является построение имитационной модели аппаратуры генерации защищенного спутникового радионавигационного сигнала, позволяющей формировать увеличенный объем систем квазиортогональных сигналов. Для достижения поставленной цели авторами предложена модель аппаратуры генерации защищённого спутникового радиона-

вигационного сигнала. В ней сигнал подвергается ослаблению на 3 дБ, воздействию эффекта Доплера и Гауссовских помех. Итоговый сигнал можно выводить через различные порты на внешние устройства для последующей обработки и анализа.

На рис. 1 представлена имитационная модель сигналов ГСРНС построенная в среде Simulink. На ней изображены следующие блоки: 1 — генератор квазиортогональньх кодовых последовательностей, 2 — блок, включающий в себя генератор импульсных сигналов, счетчики сигнала по фазе, амплитуде и частоте, таблицу, в которую заносятся полученные параметры навигационного сигнала. XOR — сумматор по модулю 2, BAS — элемент, производящий замену базиса последовательности с [0, 1] на [1, -1], 3 — блок квадратурной фазовой модуляции. Затем модулированный сигналу подвергается воздействию эффекта Доплера (4) и Гауссовских шумов (5).

В рассматриваемой модели в блоке 1 осуществляются функциональные преобразования псевдослучайных аргументов, дискретизация полученной последовательности и синтез на ее основе бинарного сигнала. В рассмотренной модели используются сингулярные последовательности, предложенные в ряде работ.

Данный метод позволяет формировать большие системы сигналов, объем которых может существенно превосходить размер базы сигнала. Варьируя параметры генератора псевдослучайных чисел, вид исходного законов распределения f(x), параметры которых ограничиваются только условием нормировки, и выбранным законом преобразования, можно формировать ансамбли псевдослучайных последовательностей с заданными корреляционными свойствами. На вход блока подаются исходная последовательность и шаг дискретизации. На выходе блока имеем результирующий бинарный сигнал.

В блоке 2 происходит формирование навигационного сообщения в виде бинарного сигнала в соответствии с алгоритмом формирования навигационного сообщения для сигнала C/A системы Navstar GPS.

В блоке 3 производится квадратурная фазовая модуляция несущей частоты двумя последовательностями. На входе: последовательность, представляющая собой расширяющую кодовую последовательность, последовательность — сумма по модулю 2 расширяющей кодовой последовательности и навигационного сообщения. На выходе: навигационный сигнал с квадратурной фазовой модуляцией.

Рис. 1. Имитационная модель сигналов ГСРНС

Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли

34 № 2-2011

SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS

His

RESEARCH

A untitled/Subi.. шы

Fis EÄ View SmUíHiOfi Forint Tocfc Hdp

D ¿'BS

<—

Sntjwstîft -KD »

j fhilt -KD IM

íjinmignil- г,ni

Сии ntJhl! 4 CD 270

ît.tî KD D

irritr jlgnjl • ç&fint

F100% i i

1 О

A I Ir,*,i л

ijfipvt

CD-

Qjftpt/I

I»

270

CiiiidShiftn

Lin

No.rtiN QPSK.A aij

Shirt

EmbHtftd UATIAB riiortiM. Oíd

О, 6 Mo_riiirt QPSK_A cut.i an

EmtííJtí MATLAB FtihdtaAjnn

.thmf У ж*.»*

OPSK_ïi)i>jl

8

XD

ОР1К.ЛЛ1М1

Sum Ch I, Cht Q

Рис. 2. Структура блока квадратурной фазовой модуляции

Более детально данный блок рассмотрен на рис. 2.

На данном рисунке использованы следующие обозначения: 1 — Ппрцй — синфазный вход, на который подаётся расширяющая кодовая последовательность, Q_iпput квадратурный вход, на который подаётся последовательность, сформированная сложением по модулю 2 расширяющей кодовой последовательности и на-вигаииюнного сообщения. В блоке 2 генерируется несущий сигнал на частоте 1575,42 МГц. Он состоит из блока 3, который формирует синусоидальный сигнал и задаёт шаг фазового сдвига. В блоке 4 происходит формирование косинусоидального сигнала и задаётся шаг его фазового сдвига. На вход 5 блока подается информационный сигнал, синусоидальный сигнал и шаг фазового сдвига. Поступивший сигнал модулируется и поступает в сумматор (блок 7). В блоке 6 также происходит модуляция поступающего квадратурного сигнала, который затем передается в блок 7. В нем осуществляется суммирование 2-х сигналов и их подача на выход (8).

Данная имитационная модель позволяет исследовать параметры сигнала при воздействии на него помех разного вида, а также менять данные параметры для сравнения частотно-фа-

зового и импульсно-кодового модулирования сигналов. По сравнению с известными методами данная модель позволяет моделировать гораздо большее число систем квазиортогональных сигналов с улучшенными корреляционными характеристиками.

Анализ полученных экспериментальных результатов позволяет сделать вывод, что метод функциональных преобразований псевдослучайных аргументов и приведённый в модели блок формирования кодовых последовательностей на его основе применим для формирования кодовых последовательностей для глобальных навигационных спутниковых системах с кодовым разделением каналов благодаря достаточно "хорошим" корреляционным свойствам получаемых кодовых последовательностей.

Литература

1. Kanwaljit Sandhoo, David Turner and Michael Shaw. Modernization of the Global Positioning System. // Proceedings of the 13th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation ION GPS 2GGG, September 19 — 22, Salt Lake City, UT.

2. Richaid D. Fontana, Wai Cheung, Tom Stansell. The Modernized L2 Civil Signal. // GPS World, September, 2001.

3. Федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система" // http://www.fcp.vpk.ru.

4. ЖукА.П., Орёл Д.В. Оценка корреляционных свойств кодов Голда средствами Matlab и Simulink. // Труды Северокавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов-на-Дону.: ПЦ "Университет" СКФ МТУСИ, 2009. - 282 с..

5. Орёл Д.В., Жук А.П. Исследование корреляционных характеристик расширяющих последовательностей сигналов с кодовым разделением каналов систем спутниковой радионавигации // Решет-невские чтения: материалы XIII Междунар. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та имени академика М.Ф. Решетнева. — Красноярск, 2009. — Ч. 1. — 384 с.

6. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. — М.: Советское радио, 1978. — 304 с.

7. Жук А.П., Фомин Л.А., Романько Д.В., Орёл Д.В. Использование класса особых сигналов для передачи информации в радиосистемах с кодовым разделением каналов // Нейрокомпьютеры Разработка и применение, №1, 2010.

High technologies in Earth space research

№ 2-2G11 35