РУССКАЯ СИСТЕМА ПЛАНЕТАРНОЙ ЗАЩИТЫ

Используемые сейчас космические радиолокаторы (радиотелескопы) и телескопы, работают по отражённому сигналу. Принимаемый ими отражённый сигнал зависит от отражающих и поглощающих свойств поверхности наблюдаемых космических объектов.

Мы предлагаем использовать принцип бистатический радиолокации (БРЛ), согласно которому площадь поперечного сечения КО, как когерентная переизлучающая антенна, имеет максимально высокий коэффициент направленного действия (КНД) для рассеянного вперёд излучения (просветного луча) в виде дифрагированной электромагнитной волны:

КНД=4π×S/λ², где S - площадь теневого контура космического объекта, независящая ог поглощающего или отражающего свойства его поверхности, даже для абсолютно "чёрного тела", а λ - длина облучающей электромагнитной волны. То есть просветная бистатическая ЭПР (БЭПР)

БЭПР= КНД × S возрастает на много порядков (в КНД раз) по сравнению с обычной ЭПР ≈ S для отражённой электромагнитной волны. Поэтому слабо отражающие КО или поглощающие объекты типа космических плазмоидов различного происхождения становятся хорошо наблюдаемыми в просветном луче. Для обнаружения слабых сигналов от КО необходимо использовать оптимальную фильтрацию сигналов.

Предлагаемый нами способ обработки информации на основе метода сложносоставной оптимальной фильтрации слабого сигнала космического бистатического радиолокационного комплекса (БРЛК) решает указанные проблемы обнаружения слабых сигналов.

Методы оптимальной фильтрации давно используются в радиолокации для селекции движущихся целей по скорости (СДЦ) на фоне помех [5]. Скорость V цели создаёт доплеровский сдвиг f_Д= 2× V/λ , где λ - длина волны несущей частоты, в моностатической (однопозиционной) радиолокации и f_Д= V/λ в бистатической (двухпозиционной) радиолокации.

Известно, что в космических радиолиниях (радиовещания - спутники серии "Экспресс", радиосвязи - "Молния", "Меридиан" и др., радионавигации - ГЛОНАСС, GPS, радиолокации - "Днепр-3У", "Дарьял", "Волга" и др., комплексах дистанционного зондирования ионосферы [6]) существуют сильные искажения частоты, обусловленные изменением электронной плотности ионосферы в пространстве и времени. Эти искажения частоты изменяют информационный сигнал, генерированный передатчиком или обусловленный рассеянием электромагнитной волны движущейся радиолокационной цели. Для компенсации этих искажений применяют различные виды частотных корректоров. Так известна цифровая система вычисления линейной по времени добавки к доплеровской частоте передатчика спутника по результатам измерения полного изменения частоты спутникового передатчика в ГЛОНАСС [7].

Еще одна проблема эффективного обнаружения КО связана с тем, что принимаемые сигналы, отраженные от космических целей (в радиолокации) или излученные со спутников (в радиосвязи и радиовещании), имеют малый уровень мощности на Земле (менее - 160 дБВт), который на 20 дБ¸ 60 дБ ниже уровня входных шумов приёмника.

Приём таких слабых сигналов осуществляется способом оптимальной фильтрации, в котором опорный (модельный) наземный сигнал в оптимальном приёмнике известен и задан для свёртки в оптимальном фильтре. Однако простые методы оптимальной (согласованной) фильтрации по целому ряду причин не обеспечивают высокую степень подавления помехи, например по указанной выше причине искажения сигнала в ионосфере, высокого уровня нестационарного и не гауссового шума спутникового передатчика, не определёнными движениями спутника и космической цели и многими другими причинами естественного и искусственного происхождения. Однако существуют сложные оптимальные фильтры, состоящие из последовательно соединённого согласованного фильтра с когерентным накоплением сигнала и фильтра с некогерентным накоплением, например известен принцип фильтрации с помощью сложносоставного фильтра, используемого в ГЛОНАСС или GPS [7].

Точное знание частоты доплеровского сигнала спутникового передатчика в системах космической радиосвязи необходимо для коррекции сигнальных кодов, которые, однако, чувствительны к искажениям фазы и частоты сигнала. В системах космической радиолокации знание доплеровской частоты цели позволяет осуществить устойчивое сопровождение цели по скорости и, кроме того, осуществить передачу достоверной информации о скорости цели в систему ПРО или СПРН. В системах космической навигации точное знание доплеровской частоты спутникового передатчика реализует высокоточное вычисление местоположения потребителя информации ГЛОНАСС или GPS.

Поскольку сигнал в виде электромагнитной волны от спутника или от КО часть времени движется в ионосфере, представляющей собой ионизированную и намагниченную плазму, которая еще и не стабильна и возмущается солнечным излучением, то электромагнитная волна в этой среде диспергирует и сдвигается во времени. При этом меняется частота и фаза волны, что приводит к искажению информации.

В результате теоретических и экспериментальных исследований по дистанционному зондированию ионосферы со спутников и с Земли сигналами различной формы и, в частности, ЛЧМ-сигналом спутникового передатчика, обнаружено многократное по времени дисперсионное расплытие импульсов зондирующего ЛЧМ-сигнала, а так же задержка по времени в несколько микросекунд при периоде СВЧ-несущей частоты 0,1 нс - 1 нс [8].

Разработаны различные способы учета такого искажения сигнала.

Так, с целью выделения слабого сигнала на фоне шума применяют оптимальные свёрточные фильтры. В простейшем случае АЧХ фильтра является комплексно-сопряжённой функцией обнаруживаемого сигнала (кода). Такие фильтры с базой ЛЧМ-сигнала порядка 30 дБ теоретически обеспечивают подавление помехи на 30¸ 40 дБ. Используют и более сложное помехозащищающее кодирование, например 7 элементные бинарные коды Баркера с базой кода порядка 60 дБ или многоэлементные коды Костаса с базой - порядка 100 дБ, которые обеспечивают подавление помехи до 100 дБ и выше. Однако выходной сигнал такого фильтра (отклик оптимального фильтра) в виде корреляционной функции принимаемого зашумленного кода и модельного кода чувствителен к заведомо неизвестному доплеровскому сдвигу частоты несущего сигнала, который к тому же ещё искажён влиянием ионосферы. Так, например искажение параметров излученного сигнала по частоте (или неопределённость модельного сигнала) на 1 % уменьшает степень подавления на 10 дБ, - на 2 % уменьшает степень подавления на 20 дБ и т.д. и т.п., что не приемлемо в реальных системах космической радиосвязи и радиолокации. Поэтому требуется точное знание доплеровского сдвига частоты и искажения этого доплеровского сдвига, которые используется для коррекции кодов в декодере-дискриминаторе в приёмнике на Земле.

Существуют и нечувствительные к доплеровскому сдвигу методы помехозащищающего кодирования, например комплиментарные коды (дуально-параллельные), но они имеют свои недостатки, которые мы не будем здесь описывать.

Разработаны нелинейные оптимальные фильтры менее чувствительные к вариации параметров фильтра (или искажению модельного сигнала), однако они имеют значительно меньшую степень подавления помехи и не универсальны, то есть их расчётные параметры (по принятому критерию оптимальности) справедливы только для конкретных сигналов-кодов в расчётном узком диапазоне амплитуд, фаз и частот, что не всегда можно обеспечить на практике.

В системах оптимальной фильтрации космических радиолиний широко применяются сложные оптимальные фильтры, в которых используется кодированный сигнал, например псевдослучайной последовательности (ПСП) двоичных импульсов как в системе ГЛОНАСС [7]. Сначала этот сигнальный код детектируется в форме корреляционного отклика в согласованном корреляционном фильтре с когерентным накоплением типа свёртки с подавлением помехи на 35 дБ. Затем многие корреляционные отклики от многих пакетов импульсов ПСП (512 двоичных импульсов в пакете для ГЛОНАСС или 1028 - для GPS) фильтруются путём некогерентного накопления в аддитивном сумматоре откликов с дополнительным подавление ещё на 10 дБ, в сумме подавление помехи равно на 45 дБ и более.

Известны так же [9] нелинейные детекторы с ограничением сигнала, в которых шум больший, чем сигнал ослабляется, а слабый сигнал наоборот усиливается. Важным свойством этих детекторов является возрастание в 2 раза отношения сигнал/шум (СШ_ВЫХ) на выходе детектора относительно отношения сигнал/шум (СШ_ВХ) на его входе. При этом шум-фактор детектора ШФ=(СШ_ВХ) /(СШ_ВЫХ) уменьшается. То есть большой по амплитуде шум не подавляет слабый сигнал, как это происходит в линейных или квадратичных детекторах. Это свойство нелинейных детекторов с ограничением мы использовали при проведении экспериментальных работ.

В заключение описания различных способов учета искажения сигналов, следует сказать о синхронных детекторах, являющихся косинусным каналом квадратурных детекторов комплексного сигнала. Эти синхронные детекторы представляют собой перемножитель напряжения сигнального канала (косинусной составляющей комплексного входного сигнала) и напряжения опорного канала. По сути, они так же являются нелинейными детекторами с ограничением с присущим им свойством, описанным выше, поэтому они так же использовались нами при проведении экспериментальных работ.