Исследование точностных характеристик аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем в условиях введения режима селективного доступа

В. В. Неровный,

кандидат технических наук, доцент, ВУНЦВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»

П. Д. Коратаев,

кандидат технических наук, ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»

М. Ю. Пакляченко,

кандидат технических наук

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ВВЕДЕНИЯ РЕЖИМА СЕЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА

RESEARCH OF ACCURACY CHARACTERISTICS OF GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS CONSUMERS EQUIPMENT IN THE CONDITIONS OF SELECTIVE ACCESS MODE

INTRODUCTION

В статье приводятся итоги научного исследования, посвященного повышению целостности навигационных определений двусистемной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем. Проведены расчеты для аппаратуры потребителя в штатных условиях навигационных приемников, работающих по сигналам ГЛОНАСС и GPS по типовым данным для разработанной имитационной модели устройства мультисистемного навигационного приемника.

The article deals with the results of a scientific research on improving the navigation definitions of two-system equipment integrity of global navigation satellite systems consumers. Calculations for consumer dual-system equipment under standard conditions of navigation receivers operating on GLONASS and GPS signals according to input data for the developed simulation model of a multisystem navigation receiver device are presented.

Введение. Приоритетное значение в области средств и систем навигации летательных аппаратов имеют глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС).

В настоящее время одними из программно-аппаратных способов навигации, предлагаемыми российскими разработчиками и используемыми в структуре пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов гражданской авиации, являются системы и аппаратура потребителей (АП), такие как: ГНСС БПСН-2, ПСН-2001 различных модификаций [1, 2]. Данные разработки для определения навигационных характеристик с более точными показателями используют как сигналы отечественной системы ГЛОНАСС, так и сигналы системы GPS (США). Применение однотипных датчиков однородной навигационной информации направлено на повышение точностных характеристик навигационных приемников.

В условиях агрессивной политики США в отношении значительного числа государств функционирование аппаратуры потребителя ГНСС обусловлено следующими факторами:

- отключение сигналов ГНСС GPS в определенных частях планеты в соответствии с политическим решением правительства США;

- искусственное загрубение точности излучаемых сигналов ГНСС GPS.

В случае отключения системы GPS АП ГНСС будет использовать сигналы системы ГЛОНАСС, что негативно скажется на точностных характеристиках навигационных приемников относительно АП, работающей одновременно с сигналами двух ГНСС [3]. При осуществлении искусственного загрубения точности излучаемых сигналов ГНСС GPS погрешности при определении координат местоположения объекта становятся значительными и могут оказать существенное влияние на воздушную навигацию.

Возникает противоречие между выбором АП ГНСС, работающей по сигналам только ГНСС ГЛОНАСС, и двусистемных навигационных приемников, функционирующих в условиях искусственного загрубения сигналов. Следовательно, определение точностных характеристик АП навигационных систем в условиях искусственного загрубе-ния сигналов является актуальной и практически значимой задачей и определяет цель исследования.

Основная часть. Постановка задачи состоит в определении способов повышения целостности навигационных диагностик двусистемной АП ГНСС. Для снижения точности в определении координат объектов системой GPS министерство обороны США использует режим выборочного доступа (ВД / SA-Selective Availability). Указанный режим модифицирует навигационное сообщение, намеренно вводя ложные данные о поправках к орбитам космического аппарата и системному времени, что в конечном итоге понижает информативность и корректность навигационных диагностик. ВД представляет собой суммирование двух эффектов:

- Dither — варьирование часами, которому характерна цикличность: от одного цикла в интервале времени от 4 до 15 минут;

- Epsilon — манипулирование данными, при котором ложные эфемериды изменяются достаточно медленно, с периодом около одного часа.

Базовой характеристикой, относящейся к эффективности работы АП ГНСС как радиотехнического измерителя координат, является текущее значение среднеквадрати-ческой ошибки (СКО) определения местоположения носителя АП в плоскости. Для решения задачи формирования навигационных диагностик наземных объектов АП ГНСС осуществляет прием радиосигналов, излучаемых всеми видимыми навигационными

спутниками (НС), и выбор «рабочего созвездия». Таким образом, информация от НС преобразуется в оценки времени и координат наземных объектов.

Для достижения цели научного исследования по разработке модели необходимо выполнить ряд последовательных операций:

- описать модель движения НС, входящих в состав орбитальной группировки (ОГ) ГНСС;

- разработать алгоритм определения числа видимых НС в точке наблюдения;

- обосновать показатели точности определения координат при использовании совмещенной АП ГНСС и получить их численные значения.

При решении первой задачи моделирования движения НС, входящих в состав ОГ, был разработан алгоритм определения геоцентрических координат НС по данным альманаха, в основу которого положено невозмущённое движение спутников.

В рамках исполнения второй операции был использован следующий алгоритм:

- определение текущего угла места каждого НС;

- сравнение текущего угла места каждого НС с заданным углом места (в случае, когда угол больше заданного, спутник считается видимым, иначе — невидимым);

- подсчет числа видимых НС.

При решении третьей задачи в качестве характеристического показателя выбрана СКО определения координат в плоскости [3].

При построении модели определения координат АП выбран алгоритм статистической обработки, реализующий метод наименьших квадратов. Таким образом, вектор

т

оцениваемых навигационных параметров (координат АП ГНСС) q к п = X У ^ с использованием метода наименьших квадратов определяется как

Чк,п = Чк,п-1 +

где Ч , 1 — априорная оценка вектора координат АП; Нк п-1 — матрица частных про-к,п-1 5

изводных от измеряемых навигационных параметров (матрица наблюдения); И к — вектор измеренных расстояний (псевдодальностей) «АП — НС»; И — вектор расчёт-

к ,п 1

ных значений расстояний «АП — НС»; Р — ковариационная матрица шумов измерений К; к — момент времени проведения измерений расстояний «АП — НС»; п — номер итерационного шага.

Математическое соотношение для вектора измеренных расстояний «АП — НС» применительно к совместной обработке измерений различных ГНСС будет иметь следующий вид:

К = |КорКГЛГ ,

где Кор Кгл— субвектор измеренных расстояний «АП — НС».

Ковариационная матрица Р характеризует точность измерения расстояний «АП—НС». В общем случае применительно к совместной обработке измерений различных ГНСС ковариационная матрица Р определяется как [4]

Р

Р

ОР 0

0

Р

ГЛ

где PGP, Pгл — ковариационные матрицы характеризующие точности измерения расстояний «АП — НС»; 0 — нулевые матрицы соответствующей размерности.

Диагональными элементами ковариационных матриц PGP, Pгл являются дисперсии измерения расстояний и2к . Дисперсию измерения расстояний можно определить как

= ^ + + ^ + ^ + + ^ ,

где с^,о3,а5,а6 — составляющие ак за счёт погрешностей эфемеридной информации, синхронизации, шумов приёмника, многолучевости, особенностей распространения радиоволн в тропосфере и ионосфере.

Текущее значение СКО местоположения в плоскости наземной АП ГНСС в момент выдачи навигационной информации можно определить как

° = КН% -&Я,

где Kfog — горизонтальный геометрический фактор, показывающий увеличение СКО

определения координат в плоскости за счёт взаимного расположения НС и АП ГНСС.

Горизонтальный геометрический фактор определяется по следующей формуле:

=л1 А11 + Л22 ,

где Лц, А22 — диагональные элементы корреляционной матрицы А погрешностей оценки вектора измеряемых навигационных параметров. Матрица А определяется как

А:

(Н к п-1РН к ,п-1)" •

Количество ненулевых строк матрицы Н к п-1 соответствует количеству видимых НС.

Матрица частных производных Нк п-\ определяется как

Н

к ,п-1

Н11 Н 22 Н

- 33

HJ1 HJ 2 HJ 3

Элементы матрицы частных производных Нк п-\ рассчитываются по формулам

HJ1 - X)^ ,

HJ 2 = У - У),

HJ 3 = & - 2 )/ ^ ,

^ = ТХ^ХЧ^ТТТ^7^2,

где ХJ ,YJ, ZJ — геоцентрические координаты У-го видимого НС; RJ — измеренное расстояние от АП до У-го видимого НС.

В программной среде Simulink была разработана имитационная модель устройства вторичной обработки информации авиационного приемоиндикатора ГНСС, функционирующая в условиях искусственного загрубления точности излучаемых сигналов. При разработке имитационной модели рассмотрен эффект Dither для различного варьирования временем: 4, 8,12 и 15 минут соответственно.

Структура имитационной модели (рис. 1.):

- подсистема ГНСС GPS и ГЛОНАСС (GPS+GLONASS);

- цифровые часы (Digital Clock);

- подсистема констант (Subsystem1); два индикатора (Display 1, Dislpay 2).

Рис. 1. Схема имитационной модели устройства вторичной обработки информации

приемоиндикатора ГНСС

Подсистема ГНСС GPS и ГЛОНАСС (GPS+GLONASS) включает в себя две совокупности навигационных спутников: спутники ГНСС GPS и ГНСС ГЛОНАСС (рис. 2). Каждая из таких совокупностей в свою очередь состоит из определенного количества спутников. В ГНСС ГЛОНАСС (рис. 3, 4) входит 24 спутника, а в ГНСС GPS — 32. Цифровые часы (Digital Clock) производят отсчет времени согласно плану исследования. Display1 отображает количество видимых в данный момент времени спутников из расположения АП ГНСС. Display 2 отображает значение СКО [3].

Рис. 2. Модель подсистемы ГНСС GPS и ГНСС ГЛОНАСС

Рис. 3. Модель ГНСС ГЛОНАСС

Рис. 4. Состав блока ККА GLONASS

С использованием разработанной модели проведен расчет примера для двуси-стемной АП ГНСС в штатных условиях навигационных приемников, работающих по сигналам ГЛОНАСС и GPS в условиях искусственного загрубления точности излучаемых сигналов ГНСС GPS по типовым исходным данным (рис. 5):

ско

100 90 80

70

S 60

й 50 40

30

20

10

0

/ Ч

\ • • * Ч

Г • • \ / \ •

ч • • \ У ✓ • ✓

/ • т* \ ^ •

»

\ ч • « /ч v. • • \

•' ✓ • ^ - в ч. __

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Время, ч

......GPS+Г Л ОНАСС

— — GPS-ГЛОНАСС

— «GPS-ГЛОНАСС

— • -GPS-ГЛОНАСС (режим SA Dither-15 mm) - «ГЛОНАСС

Рис. 5. СКО АП ГНСС при введении режима ограниченного доступа

1. Состав орбитальных группировок ГНСС GPS, ГЛОНАСС взят по анализу альманаха (от 08:00 26.03.2019) и текущих эфемеридных сообщений, принятых в ИАЦ.

2. Расчет произведен для орбитальной группировки GPS в составе 32 навигационных спутников, ГЛОНАСС в составе 24 навигационных спутников. Время наблюдения за орбитальной группировкой — 24 часа с шагом 1 секунда.

3. Координаты точки наблюдения — 50о с.ш. и 40о в.д.

При проведении расчета предполагалось, что координаты ГНСС GPS, ГЛОНАСС и точки наблюдения в совмещенной АП программным способом приведены к единой шкале времени и системе координат.

Анализ полученных результатов показывает, что наихудшими точностными характеристиками обладает АП ГНСС, работающая по сигналам систем GPS+ГЛОНАСС в условиях ограниченного доступа при варьировании часами в 15 минут (СКО достигает 95 м). В то же время в односистемной АП ГНСС, функционирующей по сигналам ГНСС ГЛОНАСС, ошибка определения координат составляет 9—10 м.

Заключение. Из полученных результатов можно сделать вывод, что при введении правительством США режима выборочного доступа в определенных областях земного шара необходимо в двусистемной АП ГНСС переходить от использования сигналов GPS и ГЛОНАСС к функционированию навигационных приемников по сигналам исключительно национальной системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акционерное общество «Конструкторское бюро навигационных систем» АО «КБ НАВИС» [Электронный ресурс]. — URL: https://navis.ru/ru (дата обращения: 01.06.2019).

2. ГЛОНАСС-Портал [Электронный ресурс]. — URL: http://www.glonass-portal.ru (дата обращения: 01.06.2019).

3. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. — М. : Радиотехника, 2010. — 796 с.

4. Неровный В. В. Помехоустойчивость мультисистемой аппаратуры потребителей ГНСС : монографи. — Воронеж.: Научная книга, 2018. — 230 с.

REFERENCES

1. Aktsionernoe obschestvo «Konstruktorskoe byuro navigatsionnyih sistem» AO «KB NAVIS» [Elektronnyiy resurs]. — URL: https://navis.ru/ru (data obrascheniya: 01.06.2019).

2. GLONASS-Portal [Elektronnyiy resurs]. — URL: http://www.glonass-portal.ru (data obrascheniya: 01.06.2019).

3. GLONASS. Printsipyi postroeniya i funktsionirovaniya / pod red. A. I. Perova, V. N. Harisova. — M. : Radiotehnika, 2010. — 796 s.

4. Nerovnyiy V. V. Pomehoustoychivost multisistemoy apparaturyi potrebiteley GNSS : monografi. — Voronezh : Nauchnaya kniga, 2018. — 230 s.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Неровный Валерий Владимирович. Доцент кафедры авиационных систем и комплексов радионавигации и радиосвязи. Кандидат технических наук, доцент

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (Воронеж).

E-mail: val.nerovni.@yandex.ru

Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а. Тел. 8-951-553-11-91.

Коратаев Павел Дмитриевич. Преподаватель кафедры авиационных систем и комплексов радионавигации и радиосвязи. Кандидат технических наук.

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (Воронеж).

E-mail: korataev2015@mail.ru

Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а. Тел. 8-920-412-47-17.

Пакляченко Марина Юрьевна. Старший преподаватель кафедры радиотехнических систем и комплексов охранного мониторинга. Кандидат технических наук.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: marina_lion@mail.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 8-920-440-38-45.

Nerovny Valery Vladimirovich. Associate Professor of the chair of Aviation Systems and Radio Navigation and Radio Communication Systems. Candidate of Technical Sciences. Assistant Professor.

Military training and research center of the Air force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh).

E-mail: val.nerovni.@yandex.ru

Work address: Russia, 394064, Voronezh, Starikh Bolshevikov Str., 54a. Tel. 8-951-553-11-91.

Korataev Pavel Dmitrievich. Lecturer of the chair of Aviation Systems and Radio Navigation and Radio Communication Systems. Candidate of Technical Sciences.

Military training and research center of the Air force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh).

E-mail: korataev2015@mail.ru

Russia, 394064, Voronezh, Starikh Bolshevikov Str., 54a. Tel. 8-920-412-47-17.

Paklyachenko Marina Yurievna. Senior teacher of the chair of Radiotechnical Systems and Security Monitoring Complexes. Candidate of Technical Sciences.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

E-mail: marina_lion@mail.ru

Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 8-920-440-38-45.

Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы; двусистемная аппаратура потребителей; ГЛОНАСС; GPS; моделирование.

Key words: global positioning system; two-system equipment of consumers; GLONASS; GPS; modelling. УДК 621.396.98

ИЗДАНИЯ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА МВД РОССИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ IHK ГИТУ! МВД РОССИИ

Криптографические методы защиты информации : учебное пособие / О.С. Авсен-тьев [и др.]. - Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2019. - 199 с.

КРИПТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

Воронеж 2019

Учебное пособие предназначено слушателям и курсантам системы МВД, обучающимся по направлениям 100500 «Информационная безопасность», 110500 «Инфоком-муникационные технологии и системы связи», а также слушателям факультета переподготовки и повышения квалификации. В пособии рассмотрены особенности использования криптографии для защиты информации, требования к криптографическим системам, их основные свойства. Представлены классические математические модели шифров. Описаны достоинства и недостатки этих шифров, методы исследования их криптографических свойств, а также вопросы оценки надежности шифров.