Система оценки устойчивости спутниковой системы позиционирования, например системы ГЛОНАСС, к неблагоприятным внешним воздействиям Российский патент 2019 года по МПК G06F17/18 G01S19/39 

Предлагаемое изобретение относится к спутниковым системам позиционирования, а именно к средствам исследования данных систем.

Из уровня техники известны системы оценки устойчивости различных технических систем к возникновению внешних воздействий, авариям. Например, подобная система управления промышленным объектом – газотурбинной системой описана в патенте на изобретение US 9076106, General Electric Company, опубликован в 2015 г. Данная система включает интеллектуальную систему оценки рисков, то есть вероятности совершения и/или возникновения неблагоприятного воздействия.

Недостатком данного технического решения является отсутствие оценки преднамеренных воздействий (угроз) к системе (объекту).

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является патент на изобретение RU2538298 «Устройство для мониторинга риска и способ мониторинга риска для использования с объектом атомной энергетики» (опубл. 10.01.2015 г.). Изобретение относится к мониторингу объектов атомной энергетики. Технический результат - определение оценки риска объекта атомной энергетики. Устройство для мониторинга риска содержит запоминающее устройство для хранения, по меньшей мере, одного набора минимальных сечений отказов (МСО) и значений вероятностей каждого события в каждом МСО и устройство ввода информации, выполненное с возможностью ввода в него информации об изменениях состояния объекта; блок формирования, по меньшей мере, одной матрицы МСО; запоминающее устройство для хранения указанной, по меньшей мере, одной матрицы МСО; блок формирования, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; запоминающее устройство для хранения указанной, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; блок изменения элементов указанной, по меньшей мере, одной параметрической матрицы; и блок оценки риска.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности предварительной (прогнозной) оценки преднамеренных и непреднамеренных воздействий (угроз) к системе (объекту).

Задачей заявленного технического решения является предварительная оценка вероятности преднамеренных и непреднамеренных воздействий (угроз) к системе (объекту), и как следствие, выработка рекомендаций по улучшению характеристик системы (объекта), повышающих устойчивость системы к неблагоприятным внешним воздействиям.

Техническим результатом является эффективное и надежное управление работой системы в целом, за счет прогнозирования перспективы развития спутниковых систем позиционирования.

Для достижения технического результата, предлагается применить принципы интеллектуальных систем оценки риска потери работоспособности сложной технической системы к спутниковым системам позиционирования.

Предложена система оценки устойчивости к неблагоприятным внешним воздействиям, основанная на оценке вероятности совершения и/или возникновения неблагоприятного воздействия. Система включает базу данных (БД) экспертных оценок вероятности намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} в отношении спутниковой системы позиционирования; базу данных экспертных оценок вероятности способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способность} в отношении спутниковой системы позиционирования; базу данных экспертных оценок вероятности уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость} в отношении спутниковой системы позиционирования; базы данных экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия в отношении спутниковой системы позиционирования. Базы данных экспертных оценок связаны с базой данных карты неблагоприятных внешних воздействий в отношении спутниковой системы позиционирования и блоком оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность}. Блок оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность} основан на использовании математической модели

P_{возможность} = 1 – P_{намерение} · P_{способность} · P_{уязвимость},

учитывающий сведения базы данных экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия в отношении спутниковой системы позиционирования.

Структурная схема предложенной системы представлена на фиг. 1, которая состоит из базы исходных данных - карты неблагоприятных внешних воздействий (БД 1), БД экспертных оценок вероятности намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} (БД 2), БД экспертных оценок вероятности способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способность} (БД 3), БД экспертных оценок вероятности уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость} (БД 4), БД экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия (БД 5), блока оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность} (Блок 6), взаимосвязанных друг с другом, блока системы мониторинга и/или коррекции спутниковой системы позиционирования (Блок 7) и блока системы управления спутниковой системы позиционирования (Блок 8), выдающего управляющие воздействия для Блоков 7 и 9, а также блока бортовой аппаратуры спутниковой системы позиционирования (Блок 9), формирующего навигационные сигналы для Блока 11 и блока навигационно-информационной спутниковой системы (Блок 10), передающего корректирующие поправки от Блока 7 к Блоку 11 и также формирующего навигационные сигналы для Блока 11. Блоки 9 и 10 связаны с блоком навигационной аппаратуры потребителей спутниковой системы позиционирования (Блок 11), при этом блок 7 связан с блоком 10 и 11, а блок 8 связан с блоком 9.

Система может быть реализована на базе аппаратно-программного комплекса, состоящего из одного или двух (для резерва) серверов и 4-х компьютеров, объединенных локальной сетью. На сервере устанавливается серверная часть программного обеспечения оценки вероятности возможности использования спутниковой системы, а на компьютерах автоматизированных рабочих мест (АРМ) с клиентской частью программного обеспечения оценки вероятности возможности использования спутниковой системы.

Данная система может быть проиллюстрирована на примере российской системы спутникового позиционирования ГЛОНАСС.

Для оценки устойчивости системы спутникового позиционирования исследуют угрозы её функционированию. Угрозы системе ГЛОНАСС могут быть сгруппированы следующим образом: преднамеренные, непреднамеренные, организационные, экономические, политические. Самыми многочисленными и сложно прогнозируемыми угрозами являются преднамеренные угрозы: повышение уровня конфиденциальности сигнала; глушение в преступных целях; повышение уровня конфиденциальности сигнала с одновременным глушением в преступных целях; преступный спуфинг; террористическое глушение; террористический спуфинг; военное глушение; спуфинг иностранными агентами; атака на спутники; атака на контрольный сегмент; кибератака на контрольный сегмент; атака по наземному комплексу управления (закладка + контроль); атаки на ионосферу; атаки на сигналы функциональных дополнений; доступ к средствам наземного комплекса управления на зарубежных территориях; атаки на сигналы закладки; атака на использование межспутниковой радиолинии; атаки на функциональные дополнения, как системы повышения точности, так и функционирования целостности; атаки на средства фундаментального обеспечения (ПВЗ, UTC, гравитационное поле Земли); атаки на наземные радионавигационные системы; атаки на резервную систему на базе связных космических аппаратов; атаки на систему синхронизации сигналов времени. Для системы ГЛОНАСС наибольшую опасность представляют помехи: кумулятивное воздействие на сигналы тысяч маломощных передатчиков, используемых преступниками целый день; целевое воздействие террористическими организациями на сигналы ГЛОНАСС с целью осуществления злонамеренного действия; военное воздействие иностранными государствами напрямую или через посредника на систему ГЛОНАСС с целью нанесения наибольшего ущерба.

Достаточно прогнозируемы и могут быть с высокой степенью вероятности рассчитаны непреднамеренные («естественные») угрозы функционированию системы ГЛОНАСС: наземные конструкции (преграда постройками); помехи местности; листва и прочая растительность; солнечная активность – мягкая, умеренная, высокая; человеческая ошибка / ошибка программного обеспечения; неисправность спутника; сбой в контрольном сегменте; космический мусор; непреднамеренные радиопомехи. Организационные угрозы функционированию системы ГЛОНАСС, как и преднамеренные угрозы, довольно многочисленны, но в отличие от них достаточно хорошо прогнозируемы и могут быть с высокой степенью вероятности рассчитаны: исключение любых станций закладки кроме командно-измерительной системы; закладки через геостационарную или высокоэллиптическую орбиту; насыщенность частотного диапазона для навигации (взаимные дополнения); запросные и беззапросные технологии эфемеридно-временного обеспечения; использование централизованной и децентрализованной схем получения информации и управления космическими аппаратами; количество космических аппаратов в системе ГЛОНАСС; дополнение системы ГЛОНАСС группировкой на высокоэллиптической орбите; наличие/отсутствие геодезических космических аппаратов; расширение полосы излучаемых сигналов; введение режима кодирования навигационных сигналов и особого режима вхождения в связь с космическим аппаратом; повышение уровня помехоустойчивости перспективной системы ГЛОНАСС на уровне потребителей (разные вероятности отказа); использование средств мониторинга радиопомех для повышения устойчивости работы; повышение помехозащищенности за счет повышения мощности сигнала; использование технологии AGNSS.

Экономические угрозы функционированию системы ГЛОНАСС: риски по срокам разработки и существования элементной базы; риски по срокам изготовления составных частей; создание собственного производства электрорадиоизделий и компонентов; удорожание закупок импортных комплектующих; невостребованность услуг системы ГЛОНАСС; конкуренция с зарубежными аналогами (GPS, GALILEO, Beidou). Политические угрозы функционированию системы ГЛОНАСС: запрет поставок электрорадиоизделий и компонентов; требования систем координат ПЗ-90 (ПЗ-90.02) – WGS-84; запрет на продажу устройств использующих навигационную информацию ГЛОНАСС; запрет на продажу программного обеспечения, использующего навигационную информацию ГЛОНАСС.

Перечень угроз сводится в БД 1 карты неблагоприятных внешних воздействий в отношении спутниковой системы позиционирования – системы ГЛОНАСС. БД 1 карты неблагоприятных внешних воздействий становится информационным ресурсом для моделирования БД 2-5 экспертных оценок вероятностей неблагоприятных внешних воздействий в отношении спутниковой системы позиционирования: намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} (БД 2); способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способность} (БД 3); уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость} (БД 4); возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия (БД 5). То есть, для каждого вида угрозы – неблагоприятного внешнего воздействия задаётся и, следовательно, может быть впоследствии выбрана количественная оценка вероятности его возникновения. Качественная оценка неблагоприятных воздействий может быть представлена для системы ГЛОНАСС в виде пятибалльной шкалы.

БД 2 экспертных оценок вероятности намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} в отношении спутниковой системы позиционирования может быть представлена в виде следующей таблицы 1 (шкалы).

БД 3 экспертных оценок вероятности способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способность} в отношении спутниковой системы позиционирования может быть представлена в виде следующей таблицы 2 (шкалы).

БД 4 экспертных оценок вероятности уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость} в отношении спутниковой системы позиционирования может быть представлена в виде следующей таблицы 3 (шкалы).

БД 5 экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия в отношении спутниковой системы позиционирования может быть представлена в виде следующей таблицы 4 (шкалы).

БД 2-5 экспертных оценок вероятностей неблагоприятных внешних воздействий в отношении спутниковой системы позиционирования, представляют собой информационный ресурс, используемый в блоке 6 оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность}. Используя предложенные экспертные оценки становится возможным построить простую математическую модель, с использованием которой станет возможным спрогнозировать текущее состояние и дальнейшее развитие спутниковой системы позиционирования. Данная математическая модель описывается, как

P_{возможность} = 1 - P_{намерение} · P_{способность} · P_{уязвимость}

с учётом (поправкой) на сведения БД 5 экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия. Выражение P_{намерение}·P_{способность}·P_{уязвимость} представляет собой описание риска от преднамеренных, политических и части экономических неблагоприятных внешних воздействий, учитывающего, как намерения, так и способности субъекта неблагоприятного воздействия.

Например, при моделировании устойчивости системы ГЛОНАСС от преднамеренной террористической угрозы и угрозы от регулярных военных формирований на заданный момент времени блок 6 опрашивает БД 2-5.

Получены следующие значения. Вероятность намерения совершения неблагоприятного воздействия P_{намерение}: для террористов 0,7, для регулярного военного формирования 0,9. Вероятность способности совершения неблагоприятного воздействия P_{способность}: для террористов 0,2, для регулярного военного формирования 0,8. Вероятность уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость}: для террористов 0,05, для регулярного военного формирования 0,5. В результате вероятность возможности использования системы ГЛОНАСС P_{возможность} составляет при террористической угрозе 0,993, а при угрозе военного конфликта 0,64. Полученные значения P_{возможность} могут быть скорректированы с использованием оценок вероятности непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия. Количественная оценка, выработанная блоком 6, используется для выработки управляющих воздействий (распоряжений) на реконфигурацию оборудования наземного комплекса управления и/или орбитальной группировки системы ГЛОНАСС (Блоки 7-11) в текущей момент времени или в заданной перспективе.

Изобретение относится к области спутниковых систем позиционирования. Технический результат заключается в эффективности и надежности управления работой системы оценки устойчивости спутниковой системы позиционирования к неблагоприятным внешним воздействиям. Технический результат достигается за счет базы данных экспертных оценок вероятности намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} в отношении спутниковой системы позиционирования, базы данных экспертных оценок вероятности способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способност}ь, базы данных экспертных оценок вероятности уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость}, базы данных карт, блока оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность} в соответствии с математической моделью P_{возможность}=1-P_{намерение}·P_{способность}·P_{уязвимость}, блока системы мониторинга и/или коррекции спутниковой системы позиционирования, блока навигационно-информационной спутниковой системы, блока навигационной аппаратуры потребителей, блока бортовой аппаратуры. 1 ил., 4 табл.

Система оценки устойчивости спутниковой системы позиционирования к неблагоприятным внешним воздействиям отличающаяся тем, что включает:

базу данных экспертных оценок вероятности намерения совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{намерение} в отношении спутниковой системы позиционирования,

базу данных экспертных оценок вероятности способности к совершению преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{способность} в отношении спутниковой системы позиционирования,

базу данных экспертных оценок вероятности уязвимости от совершения преднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия P_{уязвимость} в отношении спутниковой системы позиционирования,

базы данных экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия в отношении спутниковой системы позиционирования, связанные с

базой данных карты неблагоприятных внешних воздействий в отношении спутниковой системы позиционирования,

блоком оценки вероятности возможности использования спутниковой системы позиционирования P_{возможность} в соответствии с математической моделью P_{возможность}=1-P_{намерение}·P_{способность}·P_{уязвимость}, также учитывающим сведения базы данных экспертных оценок вероятности возникновения непреднамеренного неблагоприятного внешнего воздействия в отношении спутниковой системы позиционирования, связанным с взаимосвязанными друг с другом блоком системы мониторинга и/или коррекции спутниковой системы позиционирования и блоком системы управления спутниковой системы позиционирования, при этом

блок системы мониторинга и/или коррекции спутниковой системы позиционирования связан с блоком навигационно-информационной спутниковой системы и блоком навигационной аппаратуры потребителей спутниковой системы позиционирования, а

блок системы управления спутниковой системы позиционирования связан с блоком бортовой аппаратуры спутниковой системы позиционирования, который связан с блоком навигационной аппаратуры потребителей спутниковой системы позиционирования.