Интеллектуальные цифровые решения
Ко всем людям доброй воли
меню

Что такое ГИСС?

Скачать книгу в PDF, 5Mб
Глава 2. Основные технические принципы функционирования и характеристики ГИСС

2.1 Глобальная активно-пассивная трехмерная радиолокация земной поверхности и околоземного пространства

2.1.1 В ГИСС для радиолокационного мониторинга земной поверхности и околоземного пространства используется известный метод активно-пассивной радиолокации, показанный на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Принцип активно-пассивной 3D-радиолокации


Непрерывно излучаемые сигналы передающим космическим аппаратом (РПрд КА) ГИСС в L- или Х-диапазоне отражаются от цели (объекта) в пространстве или на поверхности Земли во всех направлениях. Прием отраженных сигналов ведут не менее трех приемных ПрмР КА этой системы. Время начала излучения и приема отраженных сигналов точно привязано к единой шкале времени по сигналам глобальных космических навигационных систем (ГЛОНАСС или GPS), которые все КА ГИСС используют и для определения своего положения в пространстве.

Таким образом, разность времени между началом излучения зондирующего сигнала РПрд КА и временем начала приема на ПрмР КА1 отраженного сигнала от цели, имеющей определенные координаты в трехмерном пространстве, определяет поверхность эллипсоида вращения, фокусы которого находятся в точках текущего местонахождения этих КА, а на поверхности эллипсоида находится точка с координатами цели. Аналогично определяются поверхности эллипсоидов вращения по разности времени излучения и приема отраженного сигнала от той же цели на ПрмР КА2 и ПрмР КА3. В точке пересечения трех поверхностей эллипсоидов вращения и будут координаты цели.

Сложное математическое решение такой задачи упрощается при априорном наложении ограничений на зону возможного решения, ограниченную объемом пространства в узком луче ДН передающей антенны и формируемых отраженных сигналов с узкой ДН на наземном ППиО. Еще более упрощается решение задачи получения радиолокационного изображения (РЛИ), если использовать известный всем студентам метод решения обратной задачи.

 Задаются координаты представляющей интерес точки в зоне пространства. Зная координаты нахождения РПрд КА, ПрмР КА1, ПрмР КА2 и ПрмР КА3, можно рассчитать временные задержки между временем начала излучения и начала приема отраженных сигналов на этих ПрмР КА. Проводится взаимно-корреляционная обработка хранимых в архиве зондирующего и отраженных отрезков сигналов, начиная с расчетных значений задержки. Пошаговые изменения задаваемых координат местоположения цели (зоны) эквивалентны смене значений временного сдвига сигналов при корреляционной обработке, в результате получим 3D РЛИ в зоне пространства вокруг заданной точки.

Окончательное решение этой задачи лежит за прикладными математиками. И, несомненно, будет реализовано при обработке в наземных ППиО, и может быть своим специальным программным обеспечением в каждой из стран-участниц создания ГИСС, особенно для прикладных задач оборонного или специального назначения. Для изложения общего принципа функционирования важно, что эта задача решается.

Зондирующие сигналы в ГИСС являются высокостабильными и когерентными сигналами связи, используемыми и для радиолокации и для связи. Наиболее приемлемым для решения поставленных целей и задач перед такой системой, будет использование ОФДМ сигналов, подобных тем, которые используются в наземных системах сотовой связи 3G, 4G LTE (в L-диапазоне) или 5G (в Х-диапазоне).

Зная точное значение частоты излучения, расчетные значения доплеровского сдвига, вызванные движением РПрд КА, ПрмР КА1, ПрмР КА2 и ПрмР КА3, при взаимной корреляционной обработке одновременно с определением точного значения временной задержки определяется и значение доплеровского сдвига частоты, вызванного движением цели (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Возможности селекции подвижных целей.


Знание значения доплеровского сдвига, вызванного движением цели в трех направлениях на ПрмР КА1, ПрмР КА2, ПрмР КА3, и вычисленные разности этих значений позволяют определить вектор скорости цели V в 3D‑пространстве.

Точность измерения доплеровского сдвига около 10 Гц за время корреляционного накопления при обработке массива выборки сигналов длительностью в 100 мс. Этого достаточно, чтобы классифицировать подвижные цели в пространстве и на поверхности океана или земли – авиация и ее тип (совместно с 3D РЛИ), баллистические и крылатые ракеты (БР и КР), ракеты зенитных комплексов (ЗРК). Для существующих космических радиолокационных систем это нерешаемая задача.

Для реализации предложенного в патенте способа по обеспечению радиолокационного мониторинга с использованием группировки спутников связи с обработкой сигналов на борту необходимо обеспечить следующий ряд технических решений.

2.1.2 Излучаемые IP-пакеты на нисходящих линиях формируются в суперциклы, начало излучения которых точно привязано к единой шкале времени по спутниковым радионавигационным системам. Возможные отклонения в реализации и изменения в процессе эксплуатации компенсируются вносимыми поправками в процессе обработки на наземных ППиО в результате калибровки, в том числе с использованием контрольно-юстировочных станций и накопленных баз данных геоинформационных карт местности.

Зондирующие сигналы на блоки передающих устройств L- или Х-диапазона поступают с блока формирования циклов IP-пакетов зондирующих сигналов, передаются непрерывно и представляют собой сформированную серию циклов из IP-пакетов информации, передаваемой на нисходящих линиях персональной спутниковой связи, доступа в Интернет, интерактивных широкополосных, IoT- и М2M-приложений. Они формируются с использованием информации, направляемой в адрес активных абонентов, которая поступает из наземных транспортных сетей во взаимодействие соответствующих наземных и бортовых комплексов управления и контроля. Нисходящие потоки IP-пакетов услуг связи выбираются бортовым маршрутизатором по адресу заголовка из всех транслируемых информационных IP-потоков по межспутниковым и восходящим линиям связи с приемо-передающих комплексов наземных ППиО. При недостаточном количестве активных абонентов по отношению к постоянной скорости передачи на радиолинии зондирования, блоки формирования суперциклов в нисходящий поток добавляют пакеты сигналов САР (SAR) с квазиортогональными зондирующими последовательностями известной структуры. Эти сигналы могут быть использованы при необходимости для синтезирования апертуры радиолокационного зондирования и быстрого обнаружения целей во всем большом объеме околоземного пространства с использованием при обработке одного фрагмента этого зондирующего сигнала SAR.

Начало цикла передачи IP-пакетов зондирующих сигналов содержит заголовок, в котором содержится информация о номере КА, номере цикла, о времени начала излучения цикла и его формате. В конце цикла блоком формирования передается «хвостовик» с контрольной суммой и дополнением бит до кратности секундной шкалы времени выбранному периоду цикла (Тцикла). Битовый массив циклов зондирующих сигналов с выхода блока формирования одновременно через бортовой маршрутизатор по МЛС и РПД фидерной линии поступает в архив НППиО. Структура построения циклов передачи IP-пакетов зондирующих сигналов представлена на рис. 2.3.

Длительность периода цикла (Тцикла) выбирается в зависимости от режима зондирования. В режиме с «широкой ДН» период может быть равномерным и составлять единицы-десятки секунд. В режиме «ДН с обужением» - определяется временем сканирования глобальной зоны видимости и может быть не равномерным, а выбираться в зависимости от объема трафика высокоскоростных услуг связи, передаваемых в «обуженную» зону.

Рис. 2.3


2.1.3 Принятые отраженные зондирующие сигналы на КА с каждого из К активных элементов приемных АР через блок К-канальных приемных устройств, поступают на входы блока К умножителей, где перемножаются с индивидуальными сигналами псевдослучайных последовательностей, поступающих с генератора ПСП с К выходами и, далее, на вход сумматора сигналов с К входами, действие которых обеспечивает кодовое уплотнение отраженных зондирующих сигналов, принятых К элементами (АЭ) антенной решетки. Такое решение обеспечивает уменьшение требуемой скорости передачи цифрового потока отраженных сигналов на наземные ППиО.

Синхронизация генераторов ПСП осуществляется сигналами бортового времени КА, поступающими с выхода блока спутниковой радионавигации, который обеспечивает формирование опорных частот и сигналов синхронизации для всех бортовых блоков приема и передачи радиосигналов, передаваемых по МЛС и радиолиниям связи с НПП и тактовых частот формирования и трансляции всех информационно-сигнальных IP-пакетов.

Суммарный сигнал с кодовым уплотнением от всех принятых К отраженных зондирующих сигналов элементами АР с выхода сумматора сигналов поступает на вход блока компрессии данных аналого-цифрового преобразования принятых отраженных сигналов для уменьшения требуемой скорости их передачи по каналам МЛС и фидерной линии на НППиО.

Структурно-функциональная схема формирования сигнально-информационных потоков, поступающих на вход бортового модуля формирования принятых отраженных сигналов, представлена на рисунке 2.4.

Блок формирования циклов IP-пакетов принятых отраженных зондирующих сигналов формирует в стандартные IP-пакеты данные из последовательно поступающих на его вход цифровых отсчетов суммарного отраженного сигнала с кодовым уплотнением.

Рис. 2.4


Заголовок каждого пакета содержит его идентификационную информацию и номер пакета в цикле. Начало каждого цикла IP-пакетов отраженных зондирующих сигналов содержит пакет заголовка цикла, в котором содержится информация о номере КА, номере цикла, о времени начала приема сигнала в цикле (время поступления первого цифрового отсчета аналого-цифрового преобразования на входе/выходе блока компрессии) и его формате.

Скорость обработки этих пакетов в бортовом маршрутизаторе и скорость передачи циклов IP-пакетов отраженных зондирующих сигналов по МЛС и на фидерной линии сброса информационно-сигнальных потоков значительно выше их скорости формирования. Это позволяет восстановить на НППиО входную последовательность аналого-цифровых отсчетов принятых отраженных сигналов на КА по выходу блока декомпрессии, а по номерам заголовков пакетов и циклов их формирования произвести правильную их сборку и контроль целостности во избежание ложных РЛИ при обработке в ППиО.

Структура суперциклов пакетов отраженных сигналов по выходу блока их формирования показана на рисунке 2.5.

Рис. 2.5


2.1.4 С выхода блока спутниковой радионавигации информация в IP-пакетах данных со своим адресом пакета поступает на вход соответствующего порта бортового маршрутизатора и содержит номер КА, информацию о эфемеридах КА и бортовом времени КА, необходимые для обеспечения синхронной работы генератора псевдослучайных последовательностей с К выходами в блоке формирования отраженных сигналов с узкой ДН для формирования разноракурсных радиолокационных изображений и их привязки к карте на наземном сегменте ГИСС.

2.1.5 Существующие космические аппараты и системы радиолокационного наблюдения имеют ограниченные возможности по ширине зоны одновременного наблюдения. Эти ограничения связаны с используемым принципом функционирования на основе бортового радиолокатора с синтезированной апертурой. Реализованные различные режимы съемки РЛИ (маршрутный, прожекторный, многолучевой сканирующий) имеют полосу съемки на пролете в пределах от 200 км до 400 км при низком разрешении (20-70) метров, при высоком разрешении до единиц метров полоса кадра съемки сужается в пределах 40 км. Улучшение разрешения было достигнуто в германской системе TerraSAR-X за счет интерферометрического зондирования в паре с РСА TanDEM-X до 0,25 метров, однако, только в полосе съемки около 4 км.

Читая в научно-технической литературе о всех проблемах, которые надо решить для реализации лучшего качества радиолокационного наблюдения в SAR (РСА) системах, у меня «выступает слеза на глазах». В то время как, предложенный способ активно-пассивного наблюдения с использованием спутников связи, которые работают не в импульсном режиме и используют современные схемы формирования излучаемых сигналов каждым элементом АФАР с корректируемой таблицей амплитуд и фаз перед ЦАП не имеет технических проблем, свойственных КА РЛЗ с РСА. Это позволяет практически бесплатно создать в рамках ГИСС космический сегмент для непрерывного радиолокационного наблюдения околоземного пространства и поверхности земли, только за счет выделения 2 - 4 Гбит/с пропускной способности от задач предоставления услуг связи на радиолиниях межспутниковой связи и на фидерных линиях сброса сигнально-информационных потоков на наземные ППиО. При этом вся тяжесть и объем обработки для получения РЛИ перенесена на мощные серверы и процессоры сигнальной обработки наземных центров.

Полоса радиолокационного наблюдения обеспечивается во всей зоне видимости каждого КА ГИСС (4500-6000) км, и за время пролета 12-15 минут над этой территорией можно накопить радиолокационные наблюдения требуемых участков земной поверхности с множества ракурсов их подсветки.

В традиционных SAR (РСА) системах мечтой является достичь полосы излучения зондирующего сигнала в 300 МГц, чтобы получить разрешение по дальности в 1 метр, при этом значительно возрастают проблемы синтеза апертуры для разрешения по азимуту.

В предложенном способе решения задачи, основанном на наземной взаимно-корреляционной обработке сравнительно больших по длительности массивов отраженных сигналов (от 10 до 100 мс), такое разрешение в единицы метров, а при обработке с накоплением и до нескольких сантиметров, можно получить при полосе ОФДМ сигнала в (3÷30) МГц, даже не рассматривая возможности использования последних успехов применения этого вида сигналов в радиолокации, связанных с измерением разности фаз на когерентных поднесущих.

В отличие от РСА способа, в предложенном способе в узком объеме околоземного пространства, ограниченном шириной луча ДН излучающей зондирующий сигнал антенны, или на соответствующей площади «засветки» на поверхности Земли, все отраженные сигналы будут иметь различную временную задержку, значение которой определяется при взаимно-корреляционной обработке по максимуму значения взаимно-корреляционной функции (ВКФ). Если рассматривать этот процесс как грубый аналог МДКР системы связи с кодовым разделением, то задача получения РЛИ от всех объектов в этой зоне (на этой поверхности) сводится к поиску и выявлению из общего суммарного принятого отраженного сигнала, сигнала, отраженного от каждого объекта, который не будет коррелирован с сигналом, отраженным от соседнего объекта, и, кроме того, будет иметь и другой уровень ВКФ, зависящий от значения коэффициента ЭПР цели - σ.

Физика процесса заключается в том, что при общем массиве обрабатываемых принятых отражаемых сигналов от каждого из объектов, лежащих под уровнем шумов на минус 20 - 40 дБ, при базе обработки, составляющей от 50 дБ до 60 дБ, можно получить вид ВКФ, показанный на рис. 2.6, если в процессе уточнения координат изменять дискретно временную задержку через (0,1 х 1/Fс) между опорной копией зондирующего сигнала и смесью отраженных сигналов, лежащих под шумом. Такой алгоритм обработки сигналов радиолокации реализует один из вариантов измерения с оценкой по критерию максимального правдоподобия, который  обеспечивает значение ошибки определения временной задержки         στ = 1/ Fc √N/2Ес, где N – энергия шумов в узкой полосе равной 1/Тког, а Ес – энергия отраженного сигнала, накопленная в этой же полосе при когерентном накоплении отраженного сигнала. При повторных циклах определения значений ВКФ ее расчетные значения будут промодулированы значением комплексного вектора шумов, сформированного сложным сигналом шумов приема и другими сигналами, отраженными от соседних участков поверхности, на всем интервале массива выборки, используемой при корреляционной обработке. Если рассчитывать значение τо как центр тяжести между левой и правой частью, показанной на рис. 2.6. ВКФ, то точность будет определяется отношением Eс/N.

Если рассмотреть показанный на рисунке 2.6 вид получаемой взаимно-корреляционной функции (ВКФ) при обработке массива сигнала с условно псевдослучайной модуляцией, которая реализуется за счет постоянного скремблирования передаваемой информации на поднесущих, то легко можно понять, что точность определения положения максимума ВКФ по шкале задержек τ  определяется как στ = 1/ Fc √N/2Ес  и может составить от 10% до 2% от длительности 1/Fc, где Fc – полоса сигнала.

Так в L-диапазоне при полосе сигнала в 3 МГц даже при соотношении Eс/N=11 дБ разрешающая точность изменения задержи (координаты в одном направлении) будет не 100 м, а около 20 метров, при Eс/N > 20 дБ – будет менее 7 метров.

В Х-диапазоне, где нет ограничений на ширину полосы сигнала из-за более легких условий когнитивной электромагнитной совместимости с другими системами, можно использовать полосы до 60-80 МГц и получать точности разрешения границ целей до единиц сантиметров.

Рис. 2.6


Количество периодов модуляции вектором шума скатов ВКФ зависит от соотношения 1/Fс  и длительности обрабатываемого массива Тког.

Для большинства прикладных задач РЛЗ такие уточнения положения ВКФ на шкале τ не требуются, но если хотите по 3D-модели РЛИ отличить самолет B-52 от нового B-2 на стоянке в авиабазе или в полете, или в каком состоянии находится мобильный комплекс «Тополь» (мобильный комплекс «Патриот») - в походном положении или с готовой к старту ракетой, то придется заниматься такой дополнительной обработкой.

2.1.6 Если рассматривать характеристики излучения реализованных космических SAR (РСА) систем, все они имеют импульсную мощность излучения в пределах 1 - 2 кВт, а длительность зондирующего импульса от 10 мкс до 40 мкс, как правило с внутренней ЛЧМ модуляцией. Например, японский КА ALOS c радиолокатором PALSAR имеет мощность излучения 2,0 кВт, ширину полосы зондирующего сигнала 14 или 28 МГц, коэффициент усиления приемопередающей АФАР около 35 дБ и показал хорошие результаты.

В предложенном способе для повышения разрешающей способности в пространстве необходимо использовать относительно большие по длительности массивы обрабатываемых сигналов при взаимно-корреляционной обработке. Используя интервал накопления энергии отраженного сигнала не 10 - 40 мкс,  а 10 - 40 мс, в предложенном активно-пассивном режиме радиолокации обеспечиваем при когерентной обработке выигрыш в 30 дБ, по сравнению с SAR (РСА) системами. Сохраняя мощности излучения в 1 - 2 кВт, требуемые и для обеспечения высокой скорости передачи информации в предоставляемых услугах связи, можно на эту же величину 30 дБ снизить требования к направленным свойствам разнесенных на разных КА приемных и передающих АФАР, чтобы обеспечить аналогичные характеристики качества РЛИ. Это обеспечит одновременное расширение зоны радиолокационного зондирования и предоставления широкополосных услуг связи.

Если, рассматривая активно-пассивный режим РЛЗ, взять за аналог МДКР систему связи с кодовым разделением, то при полосе сигнала 3¸30 МГц (65¸75 дБГц) даже при пороге принятия решения в 12 дБ можно различить до 200 000  - 2 000 000 абонентов (53 - 63 дБ), передающих информацию со скоростью 10 бит/с. Или используя метод аналогов - от 200 000 до 2 000 000 элементов РЛИ на площади засветки луча ДН передающей антенны шириной в 10о - 13о. Это позволит получить РЛИ местности в близкой к подспутниковой точке радиусом 140 км с разрешающей способностью не хуже 100 м, обрабатывая только один сигнально-информационный массив отраженных и зондирующих сигналов длительностью около 100 мс. При обработке на интервале излучения вставки специального сигнала САР РЛЗ с известной сигнально-кодовой конструкцией, для получения РЛИ требуется ретрансляция только массива принятых отраженных сигналов. Возможности синтеза апертуры ДН узких приемных антенн при обработке и разноракурсного накопления РЛИ позволяют еще больше расширять как зону одновременного наблюдения земной поверхности, так и разрешающую способность.

2.1.7 В традиционных САР радиолокационных КА используются приемо-передающие антенные системы в виде прямоугольных АФАР размером (9¸12)х3 м (для L-диапазона) и около 6х2 м (для С- и Х-диапазонов), которые обеспечивают узкую полосу наблюдения, или параболические зеркальные антенны с узким пятном сканирования ограниченной зоны пространства (в С- и Х-диапазонах). В ГИСС требуется обеспечить широкую зону (около 5000 км) предоставления и услуг связи, и радиолокационного зондирования. При высотах орбиты КА ГИСС 400¸800 км телесный угол обзора всей зоны обслуживания составляет около 120о. Обеспечить формирование сканирующего во всей такой зоне узкого луча приема в наземном ППиО с коэффициентом более 23 дБ сможет обеспечить АФАР из 259÷320 элементов, показанная на рисунке 2.7.

Рис. 2.7


В такой АФАР на ППиО всегда можно выбрать 64÷128 АЭ и сформировать узкую ДН в необходимую точку зоны приема отраженного сигнала. Если при этом каждый АЭ будет создан с коэффициентом усиления не 3 дБ, как обычно, а с Gi ≈ 9 дБ, то можно достичь суммарной величины Gдн ≈ 26÷28 дБ. Такое решение позволяет обеспечить значительное сокращение массогабаритных параметров бортовой аппаратуры.

При таком большом количестве АЭ в приемной АФАР можно предположить большую сложность в реализации схемы кодового уплотнения полос приема отраженных сигналов, показанной на рис. 2.4. Решение этой задачи можно упростить, если реализовать ее в семи отдельных субмодулях, как показано на рисунке 2.8. При этом сигналы от каждых соседних семи АЭ в каждой из семи подрешеток по 37 АЭ необходимо распределять по семи различным субмодулям формирования сигнально-информационных потоков отраженных сигналов, чтобы их шумы приема были гарантировано не коррелированны в каждом из семи субмодулях  формирования.

Рис. 2.8


Передающая АФАР может быть плоской с Gi ≈ 3дБ и состоять из 64 АЭ, обеспечивающих мощность излучения зондирующего сигнала по 32 Вт каждым элементом с возможностью увеличения суммарной мощности излучений в узком луче до 2 кВт с коэффициентом усиления до 21 дБ. Также могут быть проработаны другие варианты создания передающих АФАР, которые могут обеспечивать высокую скорость передачи IP-трафика в требуемые 19-37 узких зон обслуживания при минимальных значениях мощности отбираемой от задачи РЛЗ.

2.1.8 Рассмотрим требования к пропускной способности на фидерных радиолиниях и МЛС, необходимой для сброса сигнально-информационных потоков отраженных сигналов радиолокационного зондирования.

Пусть в L-диапазоне используется ОФДМ сигнал с полосой 3 МГц, полоса фильтра сигнала на приеме 3,5 МГц, частота выборок аналого-цифрового преобразования 7,0 Мсампл/с, число разрядов по выходу блока компрессии отсчетов – 4. Таким образом, начальная скорость формирования будет не менее 28 Мбит/с, плюс до 10% затрат на заголовки пакетов, итого около 30 Мбит/с. При семи субмодулях формирования – 210 Мбит/с.

Для Х-диапазона при полосе зондирующего ОФДМ сигнала в 30 МГц аналогично получим оценку в районе 2,1 Гбит/с. Конечно, это грубые оценки, их уточнение требует моделирования и экспериментальной отработки при проектировании ГИСС.