Помехоустойчивая спутниковая навигационная система малогабаритного беспилотного летательного аппарата Российский патент 2025 года по МПК H04B15/04 H04B1/10 

Изобретение относится к радиоэлектронным средствам навигационного обеспечения беспилотных летательных аппаратов (БЛА), предназначенным для работы в условиях интенсивных помех.

При решении оборонных задач широкое применение находят БЛА самолетного и мультикоптерного типов. Одним из наглядных примеров является использование малогабаритных (малых) БЛА для разведки и обслуживания стрельбы артиллерии, обеспечивающих высокую эффективность средств огневого поражения в условиях реального боя [1]. Другими примерами являются применение малых БЛА для подготовки данных целеуказания и наведения боевой авиации, обеспечения ретрансляции в радиолиниях управления подразделениями, вооружением и военной техникой и ряд других.

Бортовую систему навигации подавляющего числа малых БЛА военного назначения составляет аппаратура потребителя (АП) спутниковой навигации (ГЛОНАСС, GPS и др.), действующая в обстановке интенсивного радиоэлектронного подавления наземными постановщиками помех противника с широким набором мешающих сигнально-кодовых конструкций [2]. В этих условиях для защиты бортовой АП от помех могут использоваться известные средства, наибольшее распространение среди которых получили два типа навигационных приемников АП: с пространственной селекцией (режекцией) помеховых сигналов на входе приемника (в приемной антенне) и с компенсацией помех после антенны в точке (сечении) приемного тракта, где включение компенсации обеспечивает их наиболее эффективное подавление в заданной помеховой обстановке.

Навигационные приемники первого типа строятся с использованием управляемых фазированных антенных решеток (например, [3,4]), формирующих максимумы диаграммы направленности приемной антенны в направлениях прихода спутниковых навигационных сигналов и минимумы (в идеале нули) в направлениях прихода помех. Главным достоинством такого технического решения является недопущение прохождения мощных помех в первые (преселектор, усилитель высокой частоты) и последующие каскады приемного тракта, чем исключаются переход приемника в нелинейный режим работы и намеренное искажение конечных результатов решения навигационной задачи. Недостатками таких приемников являются сложность конструкции, высокое энергопотребление, значительные габариты и большая стоимость антенны, в ряде случаев превосходящая стоимость собственно приемника. Эти обстоятельства затрудняют их использование в составе бортовой аппаратуры малогабаритных БЛА.

Реализация навигационных приемников второго типа предполагает доработку стандартного приемного тракта путем включения в его состав дополнительных блоков (одного или нескольких), предназначенных для обнаружения, идентификации и формирования копии (реплики) помехи с последующей компенсацией с ее помощью помеховой составляющей выходного сигнала приемной антенны. Указанные функции могут выполняться в различных сечениях приемного тракта с использованием соответствующей элементной базы дополнительных блоков (например, [5-7]). К этому типу приемников также относится принятый далее за прототип навигационный приемник с защитой от интенсивных помех, созданный для малогабаритных конструкций аппаратуры потребителя [8]. Последнее обстоятельство определило выбор [8] в качестве прототипа для заявляемого изобретения, предназначенного для малых БЛА.

Достоинством навигационных приемников второго типа является возможность использования простых и экономичных всенаправленных приемных антенн, широко представленных на рынке доступной антенной техники. Недостатки заключаются в необходимости вышеуказанных дополнений (доработки), что применительно к малым БЛА с стандартной комплектацией бортовых радиоэлектронных средств в большинстве случаев нецелесообразно или невозможно, а также в нарушении номинального режима работы приемного тракта при попадании в тракт с выхода антенны мощной внеполосной помехи, что приводит к проявлению нелинейных эффектов, наиболее опасны из которых блокирование и интермодуляция.

Из сказанного следует, что навигационные приемники обоих типов в существующем виде не пригодны в качестве основы помехоустойчивой спутниковой навигационной системы малогабаритных БЛА. Это в полной мере относится к навигационному приемнику [8], принятому в качестве прототипа.

Структурная схема приемника-прототипа (см. описание полезной модели [8]) представлена на фиг.1, где:

1. Всенаправленная приемная антенна сигналов ГЛОНАСС/GPS.

2. Малошумящий усилитель приемника.

3. Первый полосовой фильтр.

4. Смеситель.

5. Опорный генератор.

6. Усилитель промежуточной частоты.

7. Второй полосовой фильтр.

8. Первый демодулятор.

9. Третий полосовой фильтр.

10. Второй демодулятор.

11. Цифровой вычислитель.

12. Первый блок защиты от помех.

13. Второй блок защиты от помех.

В соответствии со структурной схемой фиг. 1 входом двухканального (ГЛОНАСС/GPS) навигационного приемника-прототипа является приемная антенна 1, выход которой соединен с входом усилителя 2. Выход усилителя 2 соединен с входом полосового фильтра 3 с полосой пропускания, соответствующей суммарной полосе частот сигналов ГЛОНАСС/GPS. Выход фильтра 3 соединен с входом смесителя 4, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 5. Выход смесителя 4, на котором формируется суммарный сигнал ГЛОНАСС/GPS на пониженной промежуточной частоте, соединен с входом усилителя 6, выход которого соединен с входами полосовых фильтров 7 и 9 с раздельными полосами пропускания, равными соответственно полосам частот сигнала ГЛОНАСС и сигнала GPS. Выходы фильтров 7 и 9 соединены соответственно с входами блоков защиты от помех 12 и 13, выходы которых соединены со входами соответствующих демодуляторов 8 и 10. Выходы демодуляторов 8 и 10 соединены с двумя входами цифрового вычислителя 11, выполняющего решение задачи навигационных определений потребителя.

Идентичные блоки защиты от помех 12 и 13 состоят из основного канала, содержащего сумматор, и компенсационного канала, содержащего усилитель, ограничитель, полосовой фильтр, устройство управления в составе обнаружителя помехи и ключа, а также два умножителя и интегратор (на структурной схеме фиг. 1 не показаны). Наибольшая эффективность подавления помех обеспечивается включением блоков 12 и 13 соответственно между фильтром 7 и демодулятором 8 и между фильтром 9 и демодулятором 10. Перечисленные компоненты компенсационного канала реализуют алгоритм работы блоков 12 и 13, заключающийся в определении отношения помеха/навигационный сигнал по мощности, при превышении отношением значения 20дБ формировании компенсирующего сигнала и устранении (компенсации) с его помощью в сумматоре основного канала помеховой составляющей входной смеси навигационного сигнала и помехи.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание помехоустойчивой спутниковой навигационной системы малогабаритного БЛА, совместимой с стандартной комплектацией бортовых радиоэлектронных средств аппарата без доработки (замены) штатных антенны и приемного тракта навигационного приемника.

Для решения поставленной задачи помехоустойчивая спутниковая навигационная система малогабаритного БЛА, содержащая навигационный приемник, включающий в себя приемную антенну, вход которой является входом навигационного приемника, а выход соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, причем выход первого полосового фильтра соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход усилителя промежуточной частоты соединен с входом второго полосового фильтра и с входом третьего полосового фильтра, выход второго полосового фильтра соединен с входом первого демодулятора, выход третьего полосового фильтра соединен с входом второго демодулятора, выход первого демодулятора соединен с первым входом цифрового вычислителя, выход второго демодулятора соединен с вторым входом цифрового вычислителя, дополнительно содержит ретранслятор, включающий в себя приемную антенну, вход которой является входом ретранслятора, а выход соединен с входом малошумящего усилителя, выход которого соединен с входом передающей антенны, выход которой является выходом ретранслятора, при этом приемную антенну ретранслятора выполняют в виде трехбортного квадрифилярного антенного устройства с ослаблением помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности.

Структурная схема заявляемого изобретения представлена на фиг. 2, где компоненты 1-11 аналогичны одноименным компонентам на структурной схеме фиг. 1 и:

14. Трехбортная квадрифилярная приемная антенна сигналов ГЛОНАСС/GPS.

15. Малошумящий усилитель ретранслятора.

16. Передающая антенна сигналов ГЛОНАСС/GPS.

Отличительные признаки заявляемой помехоустойчивой навигационной системы малогабаритного БЛА состоят в дополнительном включении в ее состав ретранслятора, содержащего приемную антенну, малошумящий усилитель и передающую антенну, выполнении приемной антенны ретранслятора в виде трехбортного квадрифилярного антенного устройства и исключении из состава системы блоков защиты от помех.

Следствием указанных отличий является то, что если в приемнике-прототипе спутниковые навигационные сигналы напрямую поступают непосредственно в приемную антенну 1 (фиг. 1), то в заявляемой навигационной системе эти сигналы предварительно принимаются антенной 14 ретранслятора и далее компонентами 15, 16 переизлучаются на вход антенны 1 (фиг. 2). В результате подавление помехи выполнятся не как ранее в блоках защиты от помех 12 и 13, а во вновь введенной трехбортной квадрифилярной приемной антенне 14. Целесообразность такой меры обосновывается далее.

Технический результат состоит в достижении высокой помехоустойчивости спутниковой навигационной системы малогабаритного БЛА без доработки или замены штатного бортового навигационного приемника.

Рассмотрим работу заявляемой системы, функции и возможности реализации ее компонентов.

Анализ структурной схемы фиг. 2 показывает, что компоненты 1-11 составляют стандартный навигационный приемник без какой-либо доработки или замены штатных элементов, в частности, антенны и приемного тракта. Примером такого приемника может служить отечественный навигационный приемник МНП-М7 [9], широко применяемый в бортовом радиоэлектронном оборудовании летательных аппаратов, в том числе малых БЛА. В аппаратах мультикоптерного типа (квадрокоптерах) навигационный приемник вместе с приемной антенной размещается на несущей (силовой) раме внутри радиопрозрачного корпуса БЛА. В отдельных случаях антенна конформно крепится поверх корпуса. Аналогично задача размещения решается для БЛА самолетного типа.

Ранее отмечалось, что работа спутниковой навигационной системы малых БЛА военного назначения происходит в условиях интенсивного радиоэлектронного подавления наземными средствами постановки помех. Наибольшую опасность среди них представляют мощные помехи, действующие с горизонтальных направлений ("горизонтальные помехи"). Прием таких помех всенаправленной в верхней полусфере штатной антенной приводит к нарушению процесса навигационных определений потребителя, потере управляемости БЛА (в худшем случае его гибели) и, в конечном итоге, срыву выполнения задачи по назначению.

Для устранения этой проблемы целесообразно на входе штатной приемной антенны выполнить подмену сигнала, представляющего собой аддитивную смесь навигационного сигнала и различных помеховых составляющих, более мощным аналогичным сигналом, свободным от "горизонтальных помех". Логика работы большинства навигационных приемников, предусматривающая захват и слежение за наиболее мощными "видимыми" сигналами, автоматически обеспечит исключение из приема и обработки горизонтальных помеховых составляющих и гарантирует устойчивую навигацию БЛА.

С этой целью в состав спутниковой навигационной системы малого БЛА включают ретранслятор, который для сохранения конструктивной целостности аппарата размещают на внешней поверхности его корпуса, не затрагивая внутреннее бортовое радиоэлектронное оборудование (в том числе штатный навигационный приемник с антенной). Подобный ретранслятор может быть создан на базе, например, отечественного мультисистемного ретранслятора сигналов ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BeiDou диапазона L1 (1559-1610 МГц) [10], предназначенного для поддержания качества сигналов спутниковой навигации в неблагоприятных условиях распространения радиоволн, с заменой используемой в [10] приемной антенны на антенну, рассматриваемую ниже (антенна 14 на схеме фиг. 2).

Ключевым компонентом предлагаемого ретранслятора является квадрифилярная приемная антенна, установленная в центре трех концентрических отражающе-поглощающих барьеров (бортов). Вариант исполнения антенны с бортами приведен на фиг. 3, где а) - внешний вид антенны без радиопрозрачного обтекателя, б) - антенна под обтекателем. Антенна представляет собой конструкцию из четырех соединенных между собой симметрично (через 90°) расположенных вертикальных излучателей, каждый из которых является полуволновым или четвертьволновым спиральным проводником [11,12].

Основные достоинства подобных антенн заключаются [11] в хорошей направленности в вертикальной плоскости при низком уровне боковых лепестков, равномерном покрытии зоны приема в горизонтальной плоскости, устойчивости к воздействию внешних помех и шумов, простоте и компактности конструкции. Пример диаграммы направленности такой антенны [12] представлен на фиг. 4, где а) и б) - диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. Концентрические борта обеспечивают значительное дополнительное снижение коэффициента усиления антенны в горизонтальном и близких к горизонтальному направлениях, тем самым практически исключая прием упомянутых ранее "горизонтальных помех".

Из перечисленных достоинств применительно к малым БЛА особенно важными представляются простота и компактность конструкции приемной антенны (см. фиг.За) как наиболее габаритного элемента ретранслятора. Так, при работе навигационной системы по спутниковым сигналам диапазона L1 на частоте 1, 6 ГГц (приблизительно) с длиной волны 18,8 см максимальный размер антенны с полуволновыми вибраторами составляют величину 9,4 см, а с четвертьволновыми - 4,7 см. С учетом концентрических бортов, геометрия размещения которых относительно антенны оптимально согласована с размером вибраторов, общий максимальный размер антенной конструкции (диаметр внешнего борта) не превышает 20 и 10 см соответственно, что вполне допускает размещение ретранслятора на малом БЛА.

Таким образом, заявляемое изобретение можем быть реализовано и обеспечивает достижение высокой помехоустойчивости спутниковой навигационной системы малогабаритного БЛА.

Источники информации:

1. Каплин А.Ю., Степанов М.Г. Применение малогабаритных беспилотных летательных аппаратов для разведки и обслуживания стрельбы артиллерии//Артиллерийский журнал. - 2022. - №2 - С. 67-78.

2. Макаренко С.И. Анализ средств и способов противодействия беспилотным летательным аппаратам. Часть 3. Радиоэлектронное подавление систем навигации и радиосвязи//Системы управления, связи и безопасности. - 2020. - №2 - С. 101-175.

3. Патент на изобретение RU 2619800 С1. Устройство для пространственной селекции сигналов космических навигационных аппаратов с использованием пеленгования источников радиопомех. Опубл. 18.05.2017. Бюл. №14.

4. Патент на полезную модель RU 179926 U1. Помехоустойчивая навигационная система. Опубл. 29.05.2018. Бюл. №16.

5. Патент на изобретение RU 2456630 С1. Спутниковый навигационный ГЛОНАСС/GPS/GALILEO-приемник с корреляторами, асинхронно управляемыми внешним процессором. Опубл. 20.07.2012. Бюл. №20.

6. Патент на изобретение RU 2580832 С1. Навигационный приемник с компенсатором помех. Опубл. 10.04.2016. Бюл. №10.

7. Патент на изобретение RU 2660140 С1. Компенсатор помех для навигационной аппаратуры потребителя глобальной навигационной спутниковой системы. Опубл. 05.07.2018. Бюл. №19.

8. Патент на полезную модель RU 118814 U1. Навигационный приемник с защитой от помех. Опубл. 20.07.2012. Бюл. №21.

9. Приемник навигационный МНП-М7. Руководство по эксплуатации ЦВИЯ. 468157.113-01 РЭ. - Режим доступа: http://navmarine.ru/wa-data/public/site/documents/other/Навигационный%20приемник%20МНП-M7.pdf?ysclid=lpgp9z9klz828225984.

10. Ретранслятор сигналов СНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BeiDou. Руководство по эксплуатации v 1.8. - Режим доступа: http://nvs-gnss.ru/images/products/Repiter_GNSS/Ретранслятор_L1_РЭ.pdf.

11. Квадрифилярная антенна: что это такое и как она работает? - Режим доступа: https://scbiinfrastruktura.ru/kvadrifilyarnaya-antenna-cto-eto-takoe-i-kak-ona-rabotaet/.

12. Бучельников А.В., Черненко А.В. Квадрифилярная активная антенна для приема сигналов спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС//Техника радиосвязи. Антенно-фидерные системы. - 2022. - Выпуск 3(54). - С. 54-61.

Изобретение относится к радиоэлектронным средствам навигационного обеспечения беспилотных летательных аппаратов (БЛА), предназначенным для работы в условиях интенсивных помех. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости спутниковой навигационной системы малогабаритного БЛА без доработки или замены штатного бортового навигационного приемника. Упомянутый технический результат достигается тем, что в состав навигационной системы включают навигационный приемник, размещенный на несущей раме внутри радиопрозрачного корпуса БЛА и ретранслятор, размещенный на внешней поверхности упомянутого корпуса и содержащий приемную антенну, малошумящий усилитель и передающую антенну, причем приемную антенну ретранслятора выполняют в виде квадрифилярной приемной антенны, установленной в центре трех концентрических отражающе-поглощающих барьеров, обеспечивающего эффективное исключение из приема и обработки наиболее опасных мощных "горизонтальных помех". При этом сигнал на входе штатной приемной антенны формируется путем переизлучения навигационного сигнала передающей антенной ретранслятора. 4 ил.

Помехоустойчивая спутниковая навигационная система малогабаритного беспилотного летательного аппарата (БЛА), содержащая навигационный приемник, размещенный на несущей раме внутри радиопрозрачного корпуса БЛА и включающий в себя приемную антенну приемника, вход которой является входом навигационного приемника, а выход соединен с входом малошумящего усилителя приемника, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, причем выход первого полосового фильтра соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход усилителя промежуточной частоты соединен с входом второго полосового фильтра и с входом третьего полосового фильтра, выход второго полосового фильтра соединен с входом первого демодулятора, выход третьего полосового фильтра соединен с входом второго демодулятора, выход первого демодулятора соединен с первым входом цифрового вычислителя, выход второго демодулятора соединен с вторым входом цифрового вычислителя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ретранслятор, размещенный на внешней поверхности корпуса БЛА и включающий в себя приемную антенну ретранслятора, вход которой является входом ретранслятора, а выход соединен с входом малошумящего усилителя ретранслятора, выход которого соединен с входом передающей антенны, выход которой является выходом ретранслятора, при этом приемную антенну ретранслятора выполняют в виде квадрифилярной приемной антенны, установленной в центре трех концентрических отражающе-поглощающих барьеров, с ослаблением помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности, приемная антенна ретранслятора выполнена с возможностью приема навигационных сигналов, а соединенная с малошумящим усилителем ретранслятора передающая антенна ретранслятора выполнена с возможностью переизлучать принятые навигационные сигналы на навигационный приемник.