СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СКРЫТНОСТИ РАДИОИЗЛУЧАЮЩЕГО СРЕДСТВА В РАДИОЛИНИИ С ППРЧ
METHOD OF INCREASING STEALTHINESS OF RADIO-FREQUENCY RADIATING MEANS IN PSEUDORANDOM OPERATIONAL FREQUENCY READJUSTMENT RADIO LINK

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиосвязи, а именно к передаче информации радиосигналами с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Предлагаемый способ может быть использован в радиолиниях с ППРЧ, прежде всего в радиолиниях спутниковой связи, радиоразведка и перехват информации которых преимущественно проводится с летно-подъемных средств радиоразведки, осуществляющих патрулирование в заданной области пространства.
Уровень техники
а) Описание аналогов
Известен способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (см. Горшков В.В., Куксин О.В., Рубцов С.А., Сухов А.В. Военные системы связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Зарубежная радиоэлектроника 3, 1986, с.3-13), заключающийся в том, что на передающем конце из информационного сигнала формируются пакеты, которыми модулируют последовательно излучаемые несущие частоты, на приемном конце радиолинии радиосигнал принимают, преобразуют на промежуточную частоту, демодулируют и передают на оконечную аппаратуру.
Недостатком данного способа является низкая скрытность радиоизлучающего средства, обусловленная тем, что при попадании летно-подъемного средства радиоразведки в лепестки диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства возможно осуществить перехват информации, пеленгацию и идентификацию радиоизлучающего средства.
n
Известен также способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (см. патент РФ №2228575 кл. H04B 1/713, опубл. в 2004 г.). Известный способ заключается в том, что на передающем конце входной сигнал делят на блоки, сформированные в виде двоичных векторов, длиною n-бит в соответствии с числом используемых частотных каналов р=2, формировании двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, при этом длину каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности выбирают равной длине двоичного вектора блока входного сигнала, кодирование двоичного вектора блока входного сигнала путем сложения по модулю два его битов с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, перестройке передатчика на частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде вторых двоичных векторов псевдослучайной последовательности, модуляции частоты передатчика и последующем излучении сигнала в пространство, приеме сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, преобразовании сигнала на промежуточную частоту, усилении, демодуляции и формировании двоичного вектора демодулированных сигналов, формировании аналогично как и на передающей стороне двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, декодировании сигнала путем сложения по модулю два первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора демодулированных сигналов и подачи сигнала на оконечное устройство, согласно изобретению осуществляют модуляцию частоты передатчика помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот, при этом первую частоту выбирают для частотного канала, номер которого соответствует коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а все другие частотные каналы выбирают последовательным перебором в соответствии со значением "1" в соответствующем разряде кодированного двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемной стороне после демодуляции сигналов в частотных каналах формируют двоичный вектор, разряды которого принимают значение "1" при наличии сигнала в соответствующих частотных каналах, номера которых следуют за частотным каналом, который определяют по коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности. Перечисленная совокупность существенных признаков обеспечивает высокую помехозащищенность связи, поскольку передатчик излучает одновременно на разных частотах, число которых и разность между которыми может иметь различные значения при каждом скачке частоты. Такое формирование сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и энергетическое подавление при активных вторжениях затрудняет их разведку, так как излучаемый передатчиком сигнал расширяется с помощью непосредственной модуляции несущих частот помехоустойчивым кодом с большой базой. При этом осуществляется распределение энергии сигнала в большой полосе частот, чем повышается энергетическая, структурная и информационная скрытность сигналов. В таких условиях постановщик помех вынужден либо распределять ограниченную мощность помех по всему пространству радиосигнала, тем самым создавая малую спектральную плотность мощности помех, либо использовать всю имеющуюся мощность передатчика помех в малом подпространстве, оставляя оставшуюся часть пространства радиосигнала свободной от помех. В результате повышается помехоустойчивость системы радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в условиях активных вторжений.
Недостатком известного способа является низкая скрытность радиоизлучающего средства, так как летно-подъемное средство радиоразведки, попадая в лепестки диаграммы направленного действия антенны, способно обнаружить сигнал, определить местоположение и тип радиоизлучающего средства.
б) описание ближайшего аналога (прототипа)
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ передачи дискретной информации в радиолинии со скачкообразной перестройкой рабочей части (см. патент РФ №2290758 кл. H04B 7/00 опубл. в 2006 г.), заключающийся в том, что для повышения помехоустойчивости и обеспечения информационной и структурной скрытности передаваемого сообщения при передаче информации проводят преобразование двоичной информационной последовательности в десятичные числа, определяющие код псевдослучайной последовательности (ПСП) и несущую частоту передатчика, которая последовательно принимает разные значения. На приеме с помощью частотной фильтрации выбирается канал, по которому производилась передача, определяется максимальное значение пика автокорреляционной функции, по которому определяется код ПСП, из которого путем последовательных обратных преобразований получают десятичное число, которое преобразуется в двоичный вид, соответствующий переданной информации.
Недостатком указанного способа является также низкая скрытность радиоизлучающего средства, так как он не устраняет возможность перехвата информации, пеленгации и идентификации радиоизлучающего средства.
Раскрытие изобретения (его сущность)
а) технический результат, на достижение которого направленно изобретение
Целью настоящего изобретения является разработка способа повышения скрытности радиоизлучающего средства в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты за счет выключения передатчика радиоизлучающего средства на время нахождения летно-подъемного средства радиоразведки в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства.
б) совокупность существенных признаков
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе передачи и приема дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочих частот, заключающемся в том, что для повышения помехоустойчивости и обеспечения информационной и структурной скрытности передаваемого сообщения при передаче информации проводят преобразование двоичной информационной последовательности в десятичные числа, определяющие код псевдослучайной последовательности (ПСП) и несущую частоту передатчика, которая последовательно принимает разные значения. На приеме с помощью частотной фильтрации выбирается канал, по которому производилась передача, определяется максимальное значение пика автокорреляционной функции, по которому определяется код ПСП, из которого путем последовательных обратных преобразований получают десятичное число, которое преобразуется в двоичный вид, соответствующий переданной информации.
j
k
j
j
При нахождении летно-подъемного средства радиоразведки в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства возникает отраженный сигнал, распространяющийся, в том числе, и в сторону антенны радиоизлучающего средства. В момент окончания излучения радиосигнала на данном такте ППРЧ частота излучаемого радиосигнала меняется с f на f. Частота f освобождается, что дает возможность настроить обнаружитель отраженного сигнала на частоту f. При обнаружении отраженного сигнала радиоизлучающее средство выключает свой передатчик и прекращает излучение радиосигнала на время пролета летно-подъемным средством лепестков диаграммы направленного действия его антенны.
в) причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом
Перечисленная совокупность существенных признаков обеспечивает высокую скрытность радиоизлучающего средства, работающего сигналом с ППРЧ, при высокой помехозащищенности связи, поскольку передатчик последовательно излучает радиосигнал на нескольких частотах, количество которых и частотные интервалы между которыми имеют различные значения. Такое формирование сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты дает возможность обнаружить отраженный сигнал, возникающий от летно-подъемного средства радиоразведки, находящегося в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства. Отраженный сигнал обнаруживается специальным обнаружителем. Так как антенна является обратимым устройством, то сигнал на обнаружитель может поступать с той же антенны, которая излучает радиосигнал в пространство. При обнаружении отраженного сигнала радиоизлучающее средство выключает передатчик и прекращает излучение радиосигнала. В таких условиях летно-подъемное средство радиоразведки не может обнаружить информационный сигнал и, следовательно, осуществить его перехват, пеленгацию и идентификацию радиоизлучающего средства. В результате повышается скрытность радиоизлучающего средства с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.
Краткое описание чертежей
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - иллюстрация необходимого условия радиоразведки радиоизлучающего средства - нахождения летно-подъемного средства радиоразведки в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства;
фиг.2 - структура радиосигнала с ППРЧ;
фиг.3 - частотно-временная диаграмма излучаемого радиосигнала с ППРЧ и сигнала, отраженного от летно-подъемного средства радиоразведки.
Осуществление изобретения
Возможность технической реализации заявленного способа поясняется следующим образом.
Необходимым условием перехвата информации, пеленгации и идентификации радиоизлучающего средства является нахождение летно-подъемного средства радиоразведки в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства (фиг.1). При работе радиоизлучающего средства на излучение возникает отраженный от летно-подъемного средства радиоразведки радиосигнал, распространяющийся, в том числе, и в сторону антенны радиоизлучающего средства.
Известно, что антенна является обратимым устройством [4]. Таким образом, излучающую антенну радиоизлучающего средства можно использовать для приема отраженного сигнала и подать этот сигнал на вход обнаружителя.
Сигнал с ППРЧ представлен на фиг.2. Он характеризуется следующими параметрами:
1) n - количество частотных позиций (номиналов несущих частот) радиосигнала с ППРЧ;
ïîç
2) T - длительность нахождения радиосигнала с ППРЧ на одной частотной позиции;
jk
jk
j
k
3) Δf - частотный интервал между номиналами j-й и k-й частотных позиций, Δf=|f-f|.
Частотно-временная диаграмма излучаемого радиосигнала с ППРЧ и сигнала, отраженного от летно-подъемного средства радиоразведки, на входе обнаружителя изображена на фиг.3. Утолщенной линией показано время излучения радиосигнала на частотной позиции. На приеме время наличия отраженного сигнала на данной частотной позиции будет задержано (сдвинуто в большие значения по частотной оси) относительно излученного сигнала на величину
<mrow><msub><mi>τ</mi><mmultiscripts><mi>e</mi><mprescripts /><none /><mo>‵</mo></mmultiscripts></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>D</mi><mrow><mi>P</mi><mi>P</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>c</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ÐÐ
8
где D - расстояние между радиоизлучающим средством и летно-подъемным средством радиоразведки, м (см. фиг.1); с=3·10 м/с - скорость света.
2
1
1
1
На фиг.1 обозначено два определяющих события: A - окончание излучения радиоизлучающего средства на данной частотной позиции ППРЧ, B - окончание приема отраженного сигнала. Моменты наступления этих событий обозначены t(A) и t(B) соответственно. Так как после наступления события A частота излучаемого радиосигнала меняется на величину Δf=|f(t)-f(t)|, то частота предыдущего такта ППРЧ f(t) освобождается. После события A появляется возможность включить приемник, настроенный на f(t), и анализировать наличие отраженного сигнала. При обнаружении наличия отраженного сигнала обнаружитель дает команду на выключение передатчика радиоизлучающего средства.
Длительность выключения передатчика (прекращение работы радиоизлучающего средства на излучение) выбирается, исходя из компромисса между требованием скрытности радиолинии и качеством передачи трафика. Так, для телефонного трафика целесообразно установить длительность выключения передатчика на 0,2 с, что согласно [5] не сказывается на качестве переговора.
После возобновления излучения радиоизлучающего средства вновь осуществляется анализ наличия отраженного сигнала и т.д., что позволяет практически прекратить работу радиоизлучающего средства на излучение на время нахождения летно-подъемного средства радиоразведки в лепестках диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства.
Пример расчета длительности анализируемого отраженного сигнала.
PP
ÐÐ
è
При D=60 км, что соответствует максимальной дальности по основному лепестку диаграммы направленного действия антенны радиоизлучающего средства при ее угле места β=10° (см. фиг.1) до летно-подъемного средства радиоразведки, патрулирующего на высоте H=10 км, согласно выражению (1) τ=0,4 мс.
Пример расчета мощности отраженного сигнала на входе обнаружителя.
2
D
F
Эффективность методов обнаружения характеризуется энергетическим отношением сигнал/шум h, при котором обеспечиваются заданные значения вероятности правильного P и ложного P обнаружения отраженного сигнала. При оптимальном приеме сигнала со случайными начальной фазой и амплитудой указанные величины связаны выражением [4]
<mrow><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>lg</mi><msub><mi>P</mi><mi>F</mi></msub></mrow><mrow><mi>lg</mi><msub><mi>P</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow>
.
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>P</mi><mi>P</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¨</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¨</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow>
1
2
PP
Отражающие свойства летно-подъемного средства радиоразведки характеризуются эффективной площадью рассеяния
, где П - плотность потока мощности прямой волны в точке расположения летно-подъемного средства радиоразведки; П - плотность потока мощности волны, отраженной от летно-подъемного средства радиоразведки, у приемной антенны обнаружителя; D - дальность от радиоизлучающего средства до летно-подъемного средства радиоразведки.
Исходные данные расчета:
ÐÐ
расстояние от радиоизлучающего средства до летно-подъемного средства радиоразведки D=60 êì;
2
эффективная площадь рассеяния летно-подъемного средства радиоразведки σ=2ì;
длина электромагнитной волны λ=5 см;
прд
мощность сигнала на выходе передатчика радиоизлучающего средства Р=65 Вт;
ша
коэффициент усиления антенны радиоизлучающего средства G=34 дБ; шумовая температура антенны радиоизлучающего средства Г=100К;
ш
а
шумовая температура приемного тракта обнаружителя отраженного сигнала T=70 K;
длительность отраженного импульса τè=0,4 мс.
Расчет вероятности правильного обнаружения отраженного сигнала проводится по известной методике [4]:
1. Рассчитывается спектральная плотность мощности шума на входе приемного тракта
0
ша
шпр
N=k(T+T),
-23
ш а
ш
пр
где k - постоянная Больцмана, k=1,38ּ10 Вт·град/Гц; T - шумовая температура антенны; Т - шумовая температура приемника.
2. Определяется мощность принимаемого отраженного сигнала
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msup><mi>G</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>Л</mi><mi>П</mi><mi>С</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>3</mn></msup><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>P</mi><mi>P</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
.
3. Находится значение
<mrow><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mtext>ð</mtext></msub><mo>÷</mo><msub><mi>τ</mi><mmultiscripts><mi>e</mi><mprescripts /><none /><mo>‵</mo></mmultiscripts></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
ð÷
где P - реальная чувствительность обнаружителя отраженного сигнала.
4. Рассчитывается вероятность правильного обнаружения отраженного сигнала
<mrow><mi>lg</mi><msub><mi>P</mi><mi>D</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>lg</mi><msubsup><mi>P</mi><mi>F</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
.
D
F
РЧ
Расчеты показывают, что для указанных исходных данных при P=0,85 и P=0,1 реальная чувствительность обнаружителя отраженного сигнала должна составлять Р=-155 дБ, что технически реализуемо.
Пример расчета мощности отраженного сигнала на входе обнаружителя.
ïðä
РЧ
В результате расчета мощности отраженного сигнала на входе обнаружителя было определено, что при P=18 дБ (65 Вт) необходимо иметь обнаружитель с Р=-155 дБ.
ä
ïðä
Ðx
ä
Динамический диапазон транзисторного малошумящего усилителя, определяющего суммарный динамический диапазон обнаружителя, составляет не менее K≥70 дБ [6]. Это означает, что сигнал передатчика радиоизлучающего средства на входе малошумящего усилителя обнаружителя должен быть ослаблен на P-P-K=18+155-70=103 äÁ перестраиваемым полосовым фильтром обнаружителя.
Известно, что добротность фильтра определяется как [6]
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>f</mi><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¨</mo></mover><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¨</mo></mover></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
ÏÏ
где f - центральная частота настройки фильтра; Δf - ширина полосы пропускания фильтра.
2
1
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¨</mo></mover><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>˙</mo></mover><mtext>ð</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>6</mn><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>˜</mo></mover><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>˜</mo></mover><mover accent="true"><mi>o</mi><mo>¨</mo></mover></mrow><mrow><mn>20</mn><mtext> </mtext><mmultiscripts><mi>I</mi><mprescripts /><none /><mo>‵</mo></mmultiscripts><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>˜</mo></mover><mover accent="true"><mi>o</mi><mo>¨</mo></mover></mrow></mfrac></mrow>
При излучении сигнала в диапазоне 6 ГГц, что соответствует λ=5 см, и расстройке между частотными позициями сигнала с ППРЧ Δf=f(t)-f(t)=10 Гц добротность перестраиваемого фильтра будет равна
. Фильтр с такой добротностью может быть реализован, например, на связанных полосковых линиях [6].
Источники информации
1. Горшков В.В., Куксин О.В., Рубцов С.А., Сухов А.В. Военные системы связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Зарубежная радиоэлектроника 3, 1986, с.3-13.
2. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент РФ №2228575 кл. H04B 1/713, опубл. в 2004 г.
3. Способ передачи дискретной информации в радиолинии со скачкообразной перестройкой рабочей частоты. Патент РФ №2290758 кл. H04B 7/00, опубл. в 2006 г.
4. Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. Радио, 1978.
5. Кантор Л.Я., Минашин В.П., Тимофеев В.В. Спутниковое вещание - М.: Радио и связь, 1981, 169 с.
6. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. Пособие. - М.: Эко-Трендз, 2005.