СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ В СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ С МНОГОЛУЧЕВЫМИ АНТЕННАМИ НА БОРТУ СПУТНИКА-РЕТРАНСЛЯТОРА
METHOD OF SETTING UP COMMUNICATION IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM WITH MULTI-BEAM ANTENNAE ONBOARD RELAY SATELLITE

Изобретение относится к области радиосвязи с применением спутников-ретрансляторов (СР) и предназначено для преимущественного использования в спутниковых системах связи (ССС) с пространственно разнесенными земными станциями, работающими относительно короткими сеансами и обслуживаемыми с помощью многолучевых антенн (МЛА) на борту спутника-ретранслятора и в которых одной из основных задач является обеспечение скрытности связи.
Известен способ, описанный в патенте США №4231113 («Система связи, обладающая высокой защищенностью от организованных помех») [1], в соответствии с которым на передающем и приемном концах радиолинии, формируют псевдослучайные последовательности (ПСП). На передающем конце радиолинии осуществляют сложение ПСП по модулю 2 с двоичной информационной последовательностью, благодаря чему происходит как закрытие (шифрование) исходного информационного сигнала, так и расширение его спектра, если частота следования импульсов ПСП значительно выше частоты следования информационных посылок. Расширение спектра информационного сигнала также приводит к повышению скрытности связи за счет снижения спектральной плотности мощности этого сигнала и ее помехозащищенности. На приемном конце радиолинии осуществляют повторное сложение принятого сигнала с ПСП по модулю 2, в результате чего выделяется исходная информационная последовательность (см. также Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Трендз, 2005. с.213-218 [2]).
Для реализации вышеописанного способа в ССС необходимо задействовать на борту СР и земной станции генераторы ПСП и обеспечить синхронность их работы, поскольку для повышения крипто- и имитозащищенности передаваемой кодовой комбинации требуется периодическая смена закрывающей ПСП.
Наиболее близким аналогом является способ организации связи в ССС, по которому работает бортовой ретранслятор, оснащенный многолучевыми антеннами (RU 2048702 С1, НПЦ «Спурт», Н04В 7/185, Н04В 7/14, Ретранслятор) [3].
В соответствии с этим способом принимают на борту СР от центральной земной станции целеуказания для бортовых многолучевых антенн, формируют на основании полученных целеуказаний передающие и приемные лучи для связи с периферийными земными станциями и обеспечивают шифрование передаваемых по спутниковым радиолиниям сигналов путем их сложения с закрывающими псевдослучайными последовательностями. Для его реализации также требуется наличие на СР и Земле синхронно работающих генераторов ПСП.
Данный способ выбран в качестве прототипа.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение аппаратурного состава СР, решающего задачи обеспечения скрытности передачи информации в линии связи между СР и центральной земной станцией (ЦЗС), управляющей процессом организации связи между ЦЗС и периферийными земными станциями (ПЗС) и обеспечивающей функции контроля и управления спутниковым ретранслятором.
Поставленная цель достигается тем, что сеансы связи с ПЗС осуществляют циклически, устанавливают период цикла связи не менее длительности сеанса связи с ПЗС, обеспечивают на СР до начала очередного цикла связи сбор и передачу на ЦЗС заявок на связь от ПЗС, определяют на ЦЗС номера задействуемых на очередном цикле связи лучей многолучевых антенн СР для выработки целеуказаний на их установку и передают их на СР до начала очередного цикла связи, применяемые для обеспечения скрытности передачи информации псевдослучайные последовательности формируют из хранящихся на СР и ЦЗС целеуказаний для бортовых многолучевых антенн СР, закрывают с помощью полученных ПСП передаваемую между СР и ЦЗС информацию, осуществляют смену ПСП на СР и ЦЗС в такт со сменой целеуказаний для бортовых многолучевых антенн СР.
С целью изложения сути предлагаемого изобретения рассмотрим предпочтительный вариант его реализации.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлен общий принцип построения системы спутниковой связи с использованием МЛА;
- на фиг.2 представлены обобщенные структурные схемы бортового ретрансляционного комплекса (БРК) СР и аппаратуры ЦЗС, взаимодействующих по предлагаемому способу;
- на фиг.3. показана структура блока управления БРК СР и схема его взаимодействия с другими элементами БРК.
Пусть имеется спутниковая система (фиг.1), задачей которой является обеспечение связи через СР 1 (например, на геостационарной орбите) между ЦЗС 2 и пространственно разнесенными и относительно кратковременно работающими в эфире периферийными земными станциями 3. ПЗС обладают малым энергопотенциалом на прием и передачу, располагаются в произвольных точках подспутниковой области и выходят на связь с СР в соответствии с предварительно поданными заявками. Для обслуживания таких ПЗС спутник-ретранслятор оснащается многолучевыми антеннами, создающими с помощью приемных и передающих точечных лучей требуемое покрытие на земной поверхности из N соприкасающихся или частично перекрывающихся зон 4. Трафик в системе связи имеет такие характеристики, что на борту СР нет необходимости обеспечивать связь одновременно со всеми N зонами. Достаточно выделить ограниченное число активных лучей, которые в соответствии с поданными заявками на связь будут оперативно перенацеливаться в те из N зон 5 (выделены на фиг.1 серым цветом), в которых размещаются нуждающиеся в связи ПЗС 6. То есть происходит выделение лучей и каналов по требованию, что сокращает общее необходимое число каналов ретранслятора.
Заявки на связь могут приниматься, например, с помощью отдельного луча МЛА, последовательно посещающего каждую из N зон на предмет наличия вызовов от ПЗС. Принятые заявки передаются затем на ЦЗС.
В качестве МЛА в системах спутниковой связи обычно используют активные фазированные антенные решетки (АФАР), которые могут задействоваться либо в режиме прямого излучения, либо в составе гибридных зеркальных антенн в виде облучающей решетки. Формирование каждого конкретного луча осуществляется, как правило, с помощью кластера из семи излучателей, расположенных в узлах гексагональной решетки. Для создания покрытия из множества соприкасающихся лучей в состав АФАР включается несколько таких кластеров, причем большая часть излучателей в этих кластерах задействуется для формирования более чем одного луча.
Требуемое направление лучей АФАР задается путем создания в излучателях необходимого фазового распределения электромагнитного поля, выполняемого дискретными m-разрядными фазовращателями, как это осуществляется, например, в ретрансляторе, описанном в [3]. Величина обеспечиваемой конкретным фазовращателем фазы сигнала определяется значением подаваемого на его управляющий вход m-разрядного кода (практически m≤7). В некоторых вариантах реализации АФАР лучи формируются заданием определенного амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля. В этом случае управляющие воздействия (коды необходимой разрядности) подаются не только на фазовращатели, но и на управляемые аттенюаторы.
Для дальнейшего рассмотрения работы системы спутниковой связи по предлагаемому способу обратимся к фиг.2, на которой показаны структурные схемы ЦЗС 2 и БРК СР 7. (В настоящем описании под БРК понимается совокупность антенных, устройств, ретрансляционной аппаратуры, включающей в общем случае приемные, передающие и каналообразующие устройства, и блока управления БРК).
Вся поступающая от БРК 7 информация принимается на ЦЗС 2 через антенну 8, приемник 9 и демодулятор 10 и поступает в устройство обработки информации 11.
На основании принятых заявок на связь устройство обработки информации 11 определяет номера лучей АФАР, которые будут задействованы на очередном интервале и подготавливает для формирования требуемых лучей АФАР целеуказания (ЦУ), необходимые для выработки в БРК 7 требуемых управляющих воздействий для АФАР. Таким образом, перед началом очередных сеансов связи с ПЗС ЦЗС должна передать на СР массив соответствующих ЦУ, на основании которых будут вырабатываться управляющие воздействия для всех фазовращателей (и возможно аттенюаторов) АФАР.
ЦУ на установку лучей АФАР подаются с устройства 11 на модулятор 12 и излучаются передатчиком 13 через антенну 8 в направлении СР.
На СР эти ЦУ принимаются БРК 7 через антенну фидерной линии (АФЛ) 14 и приемник 15 и поступают в блок управления (БУ) 16. В БУ 16 принятые ЦУ преобразуются в управляющие воздействия для фазовращателей приемной 17 и передающей 18 АФАР. БРК 7 содержит также приемное 19 и передающее 20 каналообразующие устройства (КОУ), модулятор 21 и демодулятор 22, а также передатчик фидерной линии 23, обеспечивающие связь между ПЗС и ЦЗС.
КОУ в общем случае могут включать в себя мультиплексоры/демультиплексоры, предварительные усилители, преобразователи частоты, коммутаторы и др.
В процессе осуществляемого в БУ 16 преобразования ЦУ в управляющие воздействия для АФАР на каждый конкретный интервал времени, а именно от команды к команде на изменение положения лучей, вся совокупность приемных и передающих лучей занимает определенную пространственную позицию, которая изменяется (от команды к команде) по случайному закону в силу случайного характера появления нуждающихся в связи абонентов в той или иной точке обслуживаемой БРК территории.
Вследствие вышеизложенного, а также с учетом того, что управляющие воздействия для фазовращателей ФАР формируются БУ 16 в виде вполне определенных и однозначных для каждого пространственного положения лучей двоичных последовательностей, то в данной ситуации БУ 16 может принципиально выступать в роли генератора псевдослучайных последовательностей, управляемого по командам с Земли. Процесс формирования ПСП будет рассмотрен ниже.
В рассматриваемом примере реализации способа БУ 16, во-первых, выдает ПСП на модулятор 21 с целью закрытия информации, принимаемой на СР от периферийных ЗС и ретранслируемой далее на ЦЗС 2. Закрытие осуществляется путем сложения полезного сигнала и ПСП по модулю 2. На ЦЗС, в свою очередь, задействуются блок управления 24, аналогичный используемому в БРК устройству 16. В БУ 24 по ЦУ от устройства обработки информации 11 (аналогичным переданным на борт СР в БУ 16) по соответствующей программе рассчитываются управляющие воздействия для АФАР, но используются они только для формирования ПСП той же структуры, что и на борту СР в БУ 16.
В результате, закрытая на борту СР информация от ПЗС и поступившая на демодулятор 10 ЦЗС после сложения по модулю 2 с ПСП от БУ 24 приобретает свою первоначальную форму и через устройство обработки информации 11 передается далее внешним потребителям.
Аналогичным образом, подлежащая передаче на СР информация для ПЗС (или команды для СР и БРК), поступающая из устройства 11 на модулятор 12, закрывается в нем с помощью ПСП от БУ 24 и приобретает свою первоначальную форму после выделения в бортовом демодуляторе 22 с помощью ПСП от бортового БУ 16.
В рассмотренном примере показано применение ПСП лишь для закрытия полезной информации путем их сложения. Однако принципиально возможно использовать ПСП для изменения порядка следования импульсов и других целей, находящих применение в спутниковой связи. В этом случае в БРК 7 может быть, например, введена связь БУ 16 с КОУ 19 (точнее, с входящим в его состав коммутатором).
Как следует из изложенного, смена ПСП в БРК и ЦЗС происходит синхронно по получении новых ЦУ для АФАР, и поэтому необходимость в дополнительном канале синхронизации отсутствует.
Для пояснения процесса формирования ПСП на борту СР рассмотрим представленную на фиг.3 структуру блока управления 16, являющегося по существу бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ).
Основными элементами БЦВМ являются центральный процессор (ЦП) 25, запоминающее устройство (ЗУ) 26, а также интерфейсный блок (ИБ) 27, представляющий собой устройство ввода-вывода, т.е. устройство сопряжения (интерфейс) с внешними устройствами. ЦП 25 осуществляет все арифметические и логические операции над числами и командами, управление этими операциями и информационный обмен с ЗУ 26, а также управление информационным обменом с внешними устройствами через ПБ 27. ЗУ используется для хранения расчетных программ, исходных данных и результатов вычислений, представленных в виде определенных кодов. Структурно ЗУ состоит из постоянного (ПЗУ), оперативного (ОЗУ), буферного (БЗУ) и, при необходимости, внешнего запоминающих устройств (Инженерный справочник по космической технике. Изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. А.В.Солодова. М.: Воениздат, 1977, с.196-204) [4].
Поступающие в БУ 16 (через ИБ 27) от ЦЗС целеуказания обрабатываются ЦП 25 с использованием ОЗУ в составе ЗУ 26. Вычисленные на их основе управляющие воздействия для АФАР закладываются в БЗУ, откуда они через ИБ 27 передаются в АФАР 17 и 18. Формирование ПСП необходимой для конкретных применений длины осуществляется ЦП 25 по специальной программе из кодовых комбинаций, хранящихся в БЗУ, с последующей записью в ПЗУ. Из ПЗУ ПСП по команде от ЦП 25 через ИБ 27 поступают в модулятор 21 и демодулятор 22 для реализации закрытых каналов связи между СР и ЦЗС.
Рассмотренное выше также применимо и к БУ 24 из состава ЦЗС, в котором из целеуказаний для бортовых АФАР по аналогичной программе местным центральным процессором формируются аналогичные ПСП.
Для повышения крипто- и имитозащиты, передаваемой между СР и ЦЗС информации, необходимо обеспечить периодическую смену закрывающих ПСП. Поэтому одним из условий реализации предлагаемого способа является циклическая организация связи, при которой весь рабочий период СР разбивается на отдельные циклы связи, длительность которых не должна превышать длительность сеанса связи с ПЗС. При этом для данного способа безразлично, будут ли иметь эти циклы постоянную длительность или длительность каждого конкретного цикла будет определяться максимальной длительностью сеанса связи с ПЗС из числа подавших заявку на проведение сеанса на данном цикле связи. Важно, чтобы до начала очередного цикла связи СР обеспечил сбор заявок на связь от ПЗС и передачу их на ЦЗС, на основе которых будут выработаны и переданы на СР целеуказания для установки требуемых антенных лучей СР. Использование предлагаемого способа позволяет упростить реализацию устройств БРК СР, обеспечивающих скрытность передачи информации на линии СР - ЦЗС, за счет формирования закрывающих псевдослучайных последовательностей не отдельными генераторами ПСП, требующих взаимной синхронизации, а путем использования имеющихся ресурсов блоков управления БРК СР и ЦЗС.
Из известных автору источников патентных и информационных материалов не известна совокупность признаков заявляемого объекта, поэтому заявитель склонен считать техническое решение отвечающим признакам новизны.
Настоящее решение технически реализуемо, поскольку базируется на известных и отработанных устройствах, и предполагается к использованию в спутниковой системе связи, предназначенной для информационного обмена с периферийными земными станциями.