Когерентная помеха "пинг-понг" и цифровая радиочастотная память с обратным воспроизведением
COHERENT “PING-PONG” INTERFERENCE AND BACKWARD DIGITAL RADIO FREQUENCY MEMORY

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и предназначено для защиты объекта от наводимого высокоточного оружия, путем создания угловых помех радиолокационным средствам (РЛС) сопровождения и наведения, в том числе ракетам с активными радиолокационными головками самонаведения (АРГСН) с моноимпульсным методом пеленгации.
Актуальной проблемой радиоэлектронной борьбы, является защита объекта от наводимого высокоточного оружия, в частности от ракет с (АРГСН). Современные АРГСН, для наведения ракеты на цель, использует моноимпульсный метод пеленгации, который обладает высокой помехозащищенностью от организованных помех с защищаемого объекта. Сущность моноимпульсного радиолокационного метода пеленгации, заключается в измерении нормали к фазовому фронту отраженной от цели волны, направление которой идентифицируется пеленгатором с направлением на цель. Эффективным способом самозащиты объекта (индивидуальной защиты) от ракет с моноимпульсной АРГСН является создание когерентной помехи [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003].
Техника создания когерентной помехи использует пару разнесенных в пространстве излучателей когерентных сигналов, с помощью которых создают многолепестковую диаграмму направленности. Когерентная помеха будет обеспечивать максимальную эффективность в области пространства, где выполняются условия близкие к противофазности и равенству амплитуд когерентных сигналов [Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Советское радио, 1968]. Необходимым условием эффективности когерентной помехи, является превышение мощности помехи над мощностью отраженного сигнала в точке приема. Требования к мощности помехи снижаются при уводе строба сопровождения АРГСН с защищаемого объекта.
Эффект когерентной помехи заключается в искажении фронта волны в апертуре антенны, что в свою очередь приводит к ошибке измерения угловых координат цели и в конечном итоге к срыву сопровождения и промаху ракеты. Из-за искажения волнового фронта, ракета наводится на мнимую цель, которая смещена от истинной цели на величину, зависящую от расстояния между излучателями (базы) и степени соответствия когерентных сигналов условиям противофазности и равенству амплитуд. Значение смещения может достигать десятков длин баз, так уже при разности по амплитуде в 10% и фазе 175 градусов, ошибка наведения составит около 15 длин баз [см., Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Советское радио, 1968 - стр. 200].
Проблема практического использования когерентной помехи для самозащиты объекта (индивидуальной защиты), заключается в сложности аппаратуры для обеспечения устойчивого и оптимального амплитудно-фазового распределения результирующего поля помехи в точке приема отраженного сигнала. Сложность создания аппаратуры, также обусловлена необходимостью обеспечения инвариантности к частоте сигнала и направлению на РЛС.
Известен способ и устройство создания когерентной помехи, состоящее из двух приемопередающих устройств с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП, англ. Digital Radio Frequency Memory - DRFM) и перекрестными радиочастотными трактами с фазовращателями [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003], [IT RM2009A00330]. Недостатком данного способа и устройства, является необходимость в перекрестных радиочастотных трактах.
Изобретение для создания когерентной помехи не требует измерения пеленга на РЛС, не требует перекрестных радиочастотных трактов и обеспечивает следующий технический результат:
- упрощение аппаратуры создания когерентной помехи;
- возможность использования когерентной помехи для индивидуально-взаимной защиты;
- расширения тактических способов применения когерентной помехи.
Способ создания когерентной помехи использует два разнесенных в пространстве приемо-передающих устройства (ППУ) с цифровой радиочастотной памятью (ЦРЧП). Каждое устройство производит прием и запись в ЦРЧП принятого радиосигнала от РЛС. Для ретрансляции радиосигнала, каждым устройством производится воспроизведение записанного радиосигнала из ЦРЧП в обратном направлении (реверсивном), чем при записи, при этом в одном из устройств производится изменение фазы сигнала на 180 градусов (см. фиг. 1). ППУ может содержать усилители для увеличения коэффициента усиления приемо-передающего тракта.
В отличие от обычной организации работы сигнальной памяти ЦРЧП по принципу «первый пришел - первый вышел» (англ. Fist In - Fist Out, FIFO), работа сигнальной памяти ЦРЧП в данном способе организована по принципу «последний пришел - первым вышел» (англ. Last In - Fist Out, LIFO) или «последним записан - первым считан», т.е. представляет собой стековую память (см. фиг. 1). При такой организации памяти ЦРЧП, происходит самонаведение помехи по направлению и стабилизация результирующей диаграммы направленности на источник сигнала.
Таким образом, если входной радиоимпульс представить в виде мячика, пущенного в защищаемый объект, то он, как бы отскакивает от него в обратном направлении, не меняя своей ориентации. Поэтому этот способ создания помехи, для определенности, предлагается называть «пинг-понг».
Принцип создания когерентной помехи «пинг-понг» показан на фиг. 2 - фиг. 4. Радиолокационный сигнал, в виде импульса, состоящего из трех периодов радиосигнала, излучается антенной РЛС из точки M, принимается антенной первого ППУ в точке A и антенной второго ППУ в точке B (см. фиг. 2). Память ЦРЧП условно показана отрезками, а направление записи и воспроизведения стрелками. На фиг. 2 показан момент начала записи сигналов, запись сигналов в память производиться снизу-вверх. Принятый первым ППУ радиосигнал записывается в память ЦРЧП №1, принятый вторым ППУ радиосигнал записывается в память ЦРЧП №2. На фиг. 3 показан момент окончания записи радиосигналов и начала воспроизведения. После записи, радиосигналы воспроизводятся в обратном порядке чем при записи (сверху вниз) и излучаются антеннами из точек A и B соответственно первым и вторым ППУ, при этом во втором ППУ производится изменение фазы сигнала на 180 градусов. На фиг. 4 показан момент окончания воспроизведения, на нем видно, что излучённые радиосигналы формируют искаженный результирующий фазовый фронт в направлении точки М, где находится антенна РЛС.
Способ создания когерентной помехи «пинг-понг» инвариантен (не чувствителен) к частоте сигнала и направлению на РЛС. Способ не требует обнаружения входного радиосигнала, поэтому может эффективно использоваться против РЛС использующих сигналы с низкой вероятностью перехвата (англ. Low Probability of Intercept, LPI).
Приемо-передающие устройства для максимального обеспечения условия противофазности и равенства амплитуд сигналов в точке приема, должны обеспечивать максимальную идентичность приемо-передающих трактов по амплитуде (коэффициенту усиления) и фазе. Для обеспечения идентичности трактов возможно применения методов калибровки и компенсации искажений в тракте.
Когерентная помеха может формироваться как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Импульсный режим позволяет осуществить временное разделение приема и передачи сигналов (временная развязка), тем самым, упростив приемо-передающее устройство за счет использования общей антенны на прием и передачу. Реализацию непрерывного режима формирования помехи предпочтительно осуществлять с использованием раздельных антенн на прием и передачу, т.к. применение общей антенны потребует использования устройств (циркуляторов) и (или) методов разделения сигналов (компенсации, калибровки и др.). При использовании раздельных антенн, необходимо максимально обеспечить равенство расстояний между фазовыми центрами приемных и передающих антенн двух приемо-передающих устройств и их стабильность.
При импульсном режиме формирования помехи, в ЦРЧП запись сигнала периодически чередуются с воспроизведением сигнала. Длительность операций записи и воспроизведения может быть, как одинаковой, так и разной. При большей длительности операции воспроизведения, возможно многократное воспроизведение записанного сигнала.
Для непрерывного режима формирования помехи, в ЦРЧП необходимо одновременно записывать и воспроизводить сигнал, это можно осуществить, применив двойную буферизацию, т.е. организовать в памяти ЦРЧП два буфера (на два кадра), для выполнения поочередных операций записи и воспроизведения в них. Т.е. при записи сигнала в один буфер, в то же время производится воспроизведение ранее записанного сигнала со второго буфера, далее операции над буферами циклически меняются.
Моменты начала записи и воспроизведения сигналов в двух ЦРЧП могут быть, как синхронизированы, так и нет. Для синхронизации работы двух ЦРЧП необходимо использовать общий сигнал синхронизации (см. фиг 5). Сигнал синхронизации можно подавать как однократно в начале работы ППУ, так и периодически в процессе работы. Сигнал синхронизации может формироваться в одном из ППУ, в этом случае оно выступает в роли ведущего устройства, а второе как ведомое (см. фиг. 6). Сигнал синхронизации можно передавать в виде радиосигнала, использовав приемо-передающие тракты ППУ.
Изменение фазы сигнала на 180 градусов можно осуществить в цифровом виде путем инверсии сигнала (умножения цифровых дискретных выборок сигнала на -1). Изменение фазы сигнала, возможно осуществить в ЦРЧП, использовав цифровой фазовый модулятор или манипулятор. Изменение фазы сигнала, возможно с использованием отдельного аналогового фазовращателя либо путем инверсии полярности сигнала. Выравнивание и изменение амплитуды (мощности) радиосигналов также возможно осуществлять в цифровом виде в ЦРЧП или с использованием аналоговых устройств (аттенюаторов), контролируя, чтобы разница не превышала 2 дБ. Регулировку по амплитуде и фазе можно осуществлять как в одном, так и в двух ППУ. Управление работой ППУ можно осуществлять с одного ППУ (ведущего) передавая на ведомое ППУ команды. Управление работой ППУ, также может осуществляться с внешнего устройства.
При недостаточности выходной мощности, для прикрытия помехой защищаемого объекта, можно увести строб сопровождения с защищаемого объекта (отраженного сигнала), для чего на первом этапе создания помехи разность фаз устанавливают 0 градусов, в этом случае ретранслированный сигнал принимаемый АРГСН будет иметь максимальную амплитуду, со временем производится увод строба сопровождения по дальности и доплеровской скорости, после чего плавно или скачкообразно изменяют фазу до 180 градусов [Перунов Ю.М., Фомичев Л.М., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. М.: Радиотехника, 2003]. Циклы увода могут быть периодические или однократные. В общем случае, для осуществления срыва сопровождения и промаха ракеты, ретранслированный радиосигнал может наделяться модуляцией по амплитуде или (и) фазе или (и) задержке. Законы изменения параметров радиосигналов могут быть различными и определяться тактической ситуацией.
Устройство ЦРЧП требует наличия опорного тактового сигнала, из которого получает необходимые для работы АЦП, ЦАП и ПЛИС внутренние тактовые сигналы, как правило, используя синтезаторы частот с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ). Формирование помехи «пинг-понг», возможно, как с общим тактовым сигналом, так и с независимыми тактовыми сигналами. Общий тактовый сигнал формируется одним генератором, сигнал с которого поступает на оба ЦРЧП. Сигнал тактовой синхронизации (CLK) может формироваться в одном из ППУ, в этом случае оно выступает в роли ведущего устройства, а второе ППУ в роли ведомого (см. фиг.7). Сигнал тактовой синхронизации можно передавать в виде радиосигнала (пилот-сигнала), организовав отдельную радиолинию или использовав для приема и передачи приемо-передающие тракты ППУ. Синхронизация таковых сигналов в ЦРЧП возможна с использованием внешних радиосигналов, например, сигналов радионавигационных систем (LORAN-C, eLORAN, Чайка и др.) и спутниковых систем навигации (GPS, ГЛОНАС и др.).
-6
При независимых тактовых сигналах, каждое устройство ЦРЧП содержит автономный генератор тактовых сигналов. Схема с независимыми тактовыми сигналами обеспечивает большее удобство при размещении на объекте защиты, т.к. не требует никакой связи между двумя ППУ, которые в этом случае работают автономно. Недостатком схемы с автономными тактовыми генераторами, является наличие дополнительной фазовой ошибки между двумя формируемыми сигналами из-за различий частот генераторов, что ухудшает их когерентность. Оценим фазовую ошибку при использовании термокомпенсированных кварцевых генераторов в ЦРЧП. Типовое значение относительной точности и стабильности частоты для этого типа генераторов 10, т.е. при частоте одного генератора 1 МГц, относительный уход за 1 секунду второго генератора (частотой 1,000001 МГц) составит один период частоты. Предположим, что мы хотим создать помеху с частотой 10 ГГц, т.е. частота сигнала в 10 000 раз больше чем тактовый сигнал и соответственно на интервале задержки в 1 секунду ошибка составит 10 000 периодов частоты сигнала. Высокая эффективность когерентной помехи сохраняется при фазовой ошибке не более 5-10 градусов (т.е разница фаз находилась в диапазоне от 170 до 190 градусов). Для уменьшения фазовой ошибки, необходимо уменьшать задержку сигнала в ЦРЧП, т.е уменьшать интервал между циклами записи и воспроизведения. Так, при уменьшении задержки до 1 мкс фазовая ошибка уменьшится в 1000000 раз и для нашего случая составит:
или
Расчеты показывают, что, уменьшая задержку, можно обеспечить кратковременную когерентность сигналов и тем самым сохранить эффективность помехи. Таким образом, основным недостатком схемы с автономными тактовыми генераторами, это сложность реализации больших задержек сигнала.
Большим достоинством схемы с автономными тактовыми генераторами, является независимость приемо-передающих устройств, что позволяет размещать их на разных объектах, в том числе подвижных, тем самым, обеспечивая эффективную индивидуально-взаимную защиту (ИВЗ) от управляемого оружия. Сравнивая помеху «пинг-понг» с мерцающей помехой, которая также используется для ИВЗ, помеха «пинг-понг» обладает тем преимуществом, что не накладывает таких ограничений на взаимное расположение объектов защиты как мерцающая помеха.
Возможен способ создания и многоточечной когерентной помехи «пинг-понг» (более двух излучателей). Необходимым условием эффективности помехи, является обеспечения близкое к нулю векторной суммы ретранслированных сигналов в точке приема угломерной аппаратуры. Так, при использовании трех излучателях (трехфазная система), необходимо обеспечить относительный сдвиг фаз в трех приемо-передающих устройствах на 120 градусов, например, внести сдвиг фазы соответственно, на 0, 120 и 240 градусов. Один ППМ, можно условно принять за опорный и не изменять в нем фазу сигнала. Преимущество многоточечной когерентной помехи заключается в том, что возможно искажение фронта волны в двух плоскостях и соответственно внесение дополнительной ошибки в угломерную систему по второй угловой координате. Многоточечная помеха «пинг-понг» еще больше разрушает фазовый фронт в точке приема, что делает невозможным сопровождения и наведения ракеты с АРГСН на цель прикрытую такой помехой.
Для обеспечения превышения мощности когерентной помехи над отраженным сигналом, возможно использование в приемо-передающих устройствах фазированных антенных решеток (ФАР) или активных фазированных антенных решеток (АФАР). Особенно эффективно использование когерентной помехи «пинг-понг» при организации индивидуально-взаимной защиты с использованием бортовых радиолокационных станций (БРЛС) имеющих режим подавления и оснащенных ЦРЧП с обратным воспроизведением сигнала.
Когерентная помеха также эффективна против зенитно-артиллерийских комплексов (ЗАК) и зенитных ракетных комплексов (ЗРК) с командным методом наведения ракеты на цель и использующих для пеленгации радиолокаторы сопровождения цели.
Когерентная помеха «пинг-понг» может быть использована для защиты объектов от наводимого оружия использующего вместо радиоволн звуковые (механические) волны.
Создание когерентных помех «пинг-понг» возможно при установке приемо-передающих устройств на самолеты, вертолеты, корабли, стационарные объекты, буксируемые радиолокационные ловушки (БРЛ), передатчики помех одноразового использования (ППОИ), беспилотные летательные аппараты (БПЛА), крылатые и баллистические ракеты, боеголовки.