izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-6-52-60izmertech-1806Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSСинтез помехоустойчивого пространственно-временного фильтра для высокоточных измерений навигационных параметров по сигналам глобальных навигационных спутниковых системSynthesis of interference resistant spatiotemporal filter for navigation parameters high precision measurements using global navigation satellite systemsКарутинС. Н.KarutinS. N.

Москва

Sergey N. Karutin

Moscow

karutin-sn@inav.spaceХарисовВ. Н.KharisovV. N.

Чебоксары

Vladimir N. Kharisov

 Cheboksary

vhar@list.ruПавловВ. С.PavlovV. S.

Чебоксары

Vasiliy S. Pavlov

 Cheboksary

vapavlov@abselectro.comАО «Научно-исследовательский институт микроприборов-К»РоссияJSC Research and Development Institute of Micro Devices-КRussian FederationОАО «ВНИИР-Прогресс»РоссияJSC VNIIR-ProgressRussian Federation202010072023065260Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1806

Рассмотрены проблемы работоспособности современных высокоточных терминалов глобальных навигационных спутниковых систем в условиях воздействия маскирующих и имитационных помех. Решением проблемы низкой помехоустойчивости является применение цифровых антенных решёток с алгоритмами пространственно-временной обработки сигналов. Описаны известные, наиболее проработанные и применяемые, алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов. Приведены причины, не позволяющие применять известные алгоритмы в высокоточных терминалах глобальных навигационных спутниковых систем. Предложен алгоритм пространственно-временной обработки сигналов на основе пространственновременного фильтра конечной длины с теоретически обоснованным требованием к эрмитовой симметрии матричной импульсной характеристики. Предложенный алгоритм гарантирует отсутствие сигнальных искажений в любой сигнально-помеховой обстановке. При этом импульсная характеристика пространственно-временного фильтра рассчитывается по критерию оптимального подавления помех. Исследованы характеристики предложенного пространственно-временного фильтра, а также других алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов. Для этого применён метод математического моделирования со случайным перебором многочисленных параметров сигнально-помеховой обстановки (направления на сигналы, на многочисленные помехи и их отражения, дальность отражателей помех, фазы отражений, уровни помех и отражений и т. д.). Результаты моделирования представлены в виде функций распределения отношений сигнал–шум на выходе алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов и функций распределения смещений фазы и сигнального времени. Полученные зависимости подтверждают несмещённость фазы и сигнального времени в пространственно-временном фильтре в абсолютно любой сигнально-помеховой обстановке с помеховой многолучёвостью. Показано, что пространственно-временной фильтр обеспечивает большую помехоустойчивость, чем компенсаторные алгоритмы пространственновременной обработки сигналов.

The article considers problems of modern global navigation satellite systems high-precision user terminals performance in jamming and spoofing environment. The solution to the low interference resistance problem is the use of digital antenna arrays with spatiotemporal signal processing algorithms. The well-known, most studied and brought to practice algorithms for the spatiotemporal signal processing are described, reasons that do not allow the use of these algorithms in global navigation satellite systems high-precision user terminals are given. This article proposes a spatiotemporal signal processing algorithm based on a spatiotemporal filter of finite length with a special, theoretically justified requirement for the Hermitian symmetry of the matrix impulse response, which guarantees the absence of signal distortion in any interference environment. In this case, the spatiotemporal filter impulse response is calculated by the criterion of optimal interference suppression. The proposed spatiotemporal filter characteristics, as well as other spatiotemporal signal processing algorithms characteristics, were studied by mathematical simulation with random enumeration of interference environment parameters (directions to signals, to numerous interferences and their reflections, range of interference reflectors, reflection phases, interference and reflections levels, etc.). Simulation results are presented in the form of distribution functions of signal-to-noise ratios at the output of spatiotemporal signal processing algorithms and distribution functions of phase and signal time biases. The obtained dependencies confirm the absence of phase and signal time biases in the spatiotemporal filter in absolutely any interference environment with interfering multipath, while the spatiotemporal filter provides greater interference resistance than compensating spatiotemporal signal processing algorithms.

глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)помехоустойчивостьточностьпространственно-временная обработкацифровая антенная решётканесмещённость сигнального времени и фазы.global navigation satellite systems (GNSS)interference resistanceaccuracyspatiotemporal processingdigital antenna arrayabsence of signal time and phase bias.ReferencesCoff ed J., The Threat of GPS Jamming. The Risk to an Information Utility, Harris Corporation, 2013, 13 p.Coff ed J., The Threat of GPS Jamming. The Risk to an Information Utility, Harris Corporation, 2013, 13 p.Карутин С. Н. Система ГЛОНАСС – текущее состояние и перспективы развития // Тезисы докладов научно-технической конференции «Навигация по гравитационному полю Земли и ее метрологическое обеспечение», 14–15 февраля 2017 г. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. С. 5–7.Karutin S. N., Abstracts of scientifi c and technical conference “Navigation through the Earth’s gravitational fi eld and its metrological support”, 14–15 february 2017, Mendeleevo, FSUE “VNIIFTRI” Publ., 2017, pp. 5–7.Портер М. Конкурентная стратегия: Методика анализа отраслей и конкурентов / Пер. с англ. М.: Альпина Паблишер, 2017. 453 с.Michael E. Porter, Competitive Strategy: Techniques for Analyzing Industries and Competitors, The free press, 1998.Ефименко B. C., Харисов В. Н., Медведев П. В. Влияние многолучевого распространения помех на качество их подавления // Радиотехника. 2005. № 7. С. 62–67.Efi menko V. S., Kharisov V. N., Medvedev P. V., Radioengineering, 2005, no. 7, pp. 62–67.ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.GLONASS. Printsipy postroeniya i funktsionirovaniya, ed. A. I. Perova, V. N. Kharisova, Mоscow, Radiotekhnika, 2010, 800 p. (in Russian).Ефименко В. С., Харисов В. Н. Адаптивные формирователи лучей для повышения помехоустойчивости приёмников СРНС // Радиотехника. 2008. № 7. С. 45–50.Efi menko V. S., Kharisov V. N., Radioengineering, 2008, no. 7, pp. 45–50.Daneshmand S., Jahromi A., Broumandan A., Lachapelle G. GNSS space-time interference mitigation and attitude determination in the presence of interference signals, Proceedings of the 24th international technical meeting ot the satellite division of the institute of navigation (ION GNSS 2011), 20–23 September 2011, Portland, OR, pp. 1183–1192. DOI:10.3390/s150612180Daneshmand S., Jahromi A., Broumandan A., Lachapelle G. GNSS space-time interference mitigation and attitude determination in the presence of interference signals, Proceedings of the 24th international technical meeting ot the satellite division of the institute of navigation (ION GNSS 2011), 20–23 September 2011, Portland, OR, pp. 1183–1192. DOI:10.3390/s150612180Psiaki M., O’Hanlon B. W., Powell S. P., Bhatti Jahshan, Wesson K. D., Humphreys T. E., Schofi eld A., GNSS spoofi ng detection using two-antenna diff erential carrier phase, Proceedings of the 27th international technical meeting of the satellite division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2014), 8–12 September 2014, Tampa, Frorida, pp. 2776–2800. DOI:10.15781/T24M91T03Psiaki M., O’Hanlon B. W., Powell S. P., Bhatti Jahshan, Wesson K. D., Humphreys T. E., Schofi eld A., GNSS spoofi ng detection using two-antenna diff erential carrier phase, Proceedings of the 27th international technical meeting of the satellite division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2014), 8–12 September 2014, Tampa, Frorida, pp. 2776–2800. DOI:10.15781/T24M91T03Xu H., Cui X., Shen J., Lu M., A Two-Step Beam-Forming Method Based on Carrier Phases for GNSS Adaptive Array Anti-Jamming, Proceedings of the 2016 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, Monterey, California, January 2016, pp. 793–804. DOI:10.33012/2016.13488Xu H., Cui X., Shen J., Lu M., A Two-Step Beam-Forming Method Based on Carrier Phases for GNSS Adaptive Array Anti-Jamming, Proceedings of the 2016 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, Monterey, California, January 2016, pp. 793–804. DOI:10.33012/2016.13488Dimc F., Bažec M., Borio D., Gioia C., Baldini G., and Basso M., Journal of Institute of Navigation, 2017, vol. 64, no. 1, pp. 93–109. DOI:10.1002/navi.184Dimc F., Bažec M., Borio D., Gioia C., Baldini G., and Basso M., Journal of Institute of Navigation, 2017, vol. 64, no. 1, pp. 93–109. DOI:10.1002/navi.184Ефименко В. С., Харисов В. Н., Павлов В. С. Оптимальные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов и их характеристики // Радиотехника. 2016. № 7. С. 113–120.Efi menko V. S., Kharisov V. N., Pavlov V. S., Radioengineering, 2016, no. 7, pp. 113–120.Карутин С. Н., Харисов В. Н., Павлов В. С. Оптимальные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов для высокоточных приложений // Радиотехника. 2018. № 9. С. 1–8. DOI:10.18127/j00338486-201809-23Karutin S. N., Kharisov V. N., Pavlov V. S., Radioengineering, 2018, no. 9, pp. 131–139. DOI:0.18127/j00338486-201809-23Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Горячая линия – Телеком, 2014. 396 с.Tikhonov V. I., Kharisov V. N., Statisticheskii analiz i sintez radiotekhnicheskikh ustroistv i system, Moscow, Goryachaya liniya – Telekom Publ., 2014, 396 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.