Способ подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами, сверхширокополосное радиосигнальное процессорное устройство для блокировки командных сигналов радиоуправляемых взрывных устройств и способ функционирования сверхширокополосного устройства для подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами
METHOD OF SUPPRESSING COMMAND SIGNALS FOR CONTROLLING RADIO-CONTROLLED IMPROVISED EXPLOSIVE DEVICES, ULTRA-WIDEBAND RADIO SIGNAL PROCESSOR DEVICE FOR BLOCKING COMMAND SIGNALS OF RADIO-CONTROLLED EXPLOSIVE DEVICES AND A METHOD OF OPERATING AN ULTRA-WIDEBAND DEVICE FOR SUPPRESSING COMMAND SIGNALS FOR CONTROLLING RADIO-CONTROLLED IMPROVISED EXPLOSIVE DEVICES

Изобретение относится к области цифровых интеллектуальных технологий обеспечения безопасности и противодействия терроризму, в частности к системам блокирования радиоуправляемых взрывных устройств.
Современный вектор мирового развития блокираторов радиоуправляемых взрывных устройств (БРВУ) радиочастотного (РЧ) диапазона характеризуется поиском оптимальных форм помехового сигнала для надежного подавления радиоуправляемых (РУ) самодельных взрывных устройств (СВУ), использующих различные виды командных сигналов, а также совершенствованием ключевых технико-экономических характеристик БРВУ. Такой подход должен позволить при сохранении основных технических показателей упростить схему БРВУ, улучшить его массогабаритные и стоимостные характеристики и обеспечить значительное расширение критических сервисных возможностей современной аппаратуры, прежде всего, скорости реакции на сигнал подрыва.
В настоящее время для дистанционного управления детонатором заложенного на объекте взрывчатого вещества различными террористическими группировками и индивидуальными террористами, как правило, используются СВУ, действующие в сверхширокополосном диапазоне 20-2700 МГц, охватывающем более 7 октав. При этом для передачи кода подрыва обычно используются либо радиостанции типа «Уоки-Токи» любительских диапазонов (20 МГц - 1,3 ГГц), либо доработанные сотовые телефоны (смартфоны), работающие в целом ряде стандартов радиосвязи, как например, CDMA-450 (463-467,5 МГц) EGSM (925-935 МГц), GSM-900 (925-960 МГц), GSM (DCS)-1800 (1805-1880 МГц), UMTS-2100 (2110-2170 МГц), 4G LTE (791-862 МГц, 2500-2690 МГц). Кроме того, в связи с бурным развитием в мире мобильных телекоммуникационных сетей 5-го поколения (5G) в ближайшее время ожидается расширение диапазона их работы до 6 ГГц, что необходимо учитывать при разработке средств противодействия нового поколения. Для противодействия им отечественными и зарубежными производителями выпускаются БРВУ в носимом, возимом, стационарном и универсальном исполнениях, назначение которых состоит в обнаружении и подавлении радиосигнала с кодом подрыва. В общем, современные БРВУ подразделяются по принципу работы на два типа: активные, которые постоянно излучают, так называемую, заградительную помеху во всем диапазоне рабочих частот, и реактивные, которые сканируют радиоэфир и выдают, так называемую, прицельную помеху в заданной полосе частот, только если они обнаружат передачу радиосигнала в этой полосе. Первый тип - более экономичный, однако его важным недостатком является создание помех не только подавляемому взрывному радиоустройству, но и всем устройствам сотовой связи в радиусе нескольких километров, поэтому они неприменимы в большом городе. Второй тип, вследствие избирательных свойств получил более широкое распространение.
Примерами основных реактивных БРВУ отечественного производства являются изделия GRIPHON, Пелена, Персей, Вулкан, Штиль [https://pro-spec.rit/catalog/blokiratory-radioupravlyaemykh-vzryvnykh-ustrojstv]. Среди большого числа зарубежных производителей БРВУ наиболее продвинутыми считаются фирмы Selex, Англия (Guardian), Thales, Франция, NEC, Япония. Также в разработках новых усовершенствованных моделей БРВУ активно участвуют исследовательские университеты: Universitat der Bundeswehr, Munchen, ФРГ, Institute IRITEL, Сербия, Tampere University of Technology, Финляндия и др.
Обобщенная структурная схема БРВУ, построенного на базе известного способа, представлена на фиг 1. Как следует из схемы, основными составными элементами современного чисто радиоэлектронного БРВУ являются: блок приема 1, содержащий всенаправленную приемную антенную систему и набор сканирующих канальных приемников (СКП), цифровой радиоэлектронный процессор (ЦРЭП) 2, основные функции которого состоят в анализе радиосигналов на выходе СКП и введении в каждый активный канал заградительных помех из встроенной библиотеки оптимальных помех, а также блок передачи 3, содержащий сумматор радиочастотных (РЧ) сигналов, узел усилителей мощности (УМ) и всенаправленную передающую антенную систему. Все узлы вышеуказанных блоков и цифровой радиоэлектронный процессор (ЦРП) связаны с блоком питания, управления и контроля 4, работающим под управлением встроенного либо внешнего персонального компьютера (ПК).
Функциональная схема ЦРЭП БРВУ, поясняющая известный радиоэлектронный способ его реализации [М. Mileusnic, et al., The Radio Jammer Against Remote Controlled Improvised Explosive Devices / Proceedings of the 25th Telecommunications Forum (TELFOR). Belgrade: IEEE, 2017, pp. 151-154. DOI: 10.1109/TELFOR.2017.8249309], представлена на фиг. 2 (принято в качестве прототипа). Основными узлами данной схемы, функционирующей в полосе частот 20 МГц - 6 ГГц, являются: управляемый от персонального компьютера (ПК) 5 центральный процессор (ЦП) 6, комплект электрических кабелей 7 на базе шин RS232 и восемь параллельных каналов обработки (К1-К8) 8-15, работающих соответственно в высокочастотном (ВЧ), ультравысокочастотном (УВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазонах, каждый из которых включает узел управления 16 и узел формирования блокирующего сигнала 17. С помощью последнего узла обеспечивается формирование трех типов блокирующих сигналов на базе прямого цифрового синтеза, решетчатого сигнала и гауссовского белого шума. Использование прямого цифрового синтеза обеспечивает введение целого набора различных РЧ помеховых сигналов, как например, синусоидального сигнала, линейно частотно-модулированного сигнала, сигнала с перескоками частоты, импульсного сигнала, частотно-модулированного шума и др. Решетчатый сигнал содержит последовательность очень коротких импульсов, обеспечивая широкополосную помеху. Выбор оптимальной помехи осуществляется оператором с помощью клавиатуры ПК по шине SPI.
В общем случае, представленное на фиг. 1 устройство для подавления радиоуправляемых самодельных взрывных устройств, использующих различные виды командных сигналов, представляет собой блокиратор, содержащий блок приема, включающий всенаправленную приемную антенную систему и набор сканирующих канальных приемников, цифровой радиоэлектронный процессор, основные функции которого состоят в анализе радиосигналов на выходе канальных приемников и введении в каждый активный канал заградительных помех из встроенной библиотеки оптимальных помех, а также блок передачи, включающий сумматор радиочастотных сигналов, узел усилителей мощности и всенаправленную передающую антенную систему.
Анализ схемы по фиг. 2, а также проведенный в рамках патентных исследований, позволяет сделать следующие выводы относительно современного уровня развития систем блокирования радиоуправляемых взрывных устройств, базирующихся на известном способе построения.
1. Все, как серийно выпускаемые, так и разрабатываемые модели БРВУ построены на базе традиционного чисто радиоэлектронного подхода.
2. К общим принципиальным недостаткам существующих БРВУ можно отнести следующие:
- необходимость анализа путем частотного сканирования в указанном выше сверхширокополосном частотном диапазоне результатов приема кода подрыва, что приводит к относительно невысокой скорости реакции устройства;
- необходимость компьютерного управления для хранения и дополнительного введения путем ручного управления в принятые сигналы маскирующей шумовой помехи из библиотеки оптимальных помех, что также уменьшает скорость реакции;
- сложность схемы цифрового радиоэлектронного процессора, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик и увеличению стоимости изделия.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по совершенствованию способа построения и схем реализации БРВУ за счет нового способа построения его блока процессора на базе перспективной радиофотонной технологии с выполнением операций обработки принятых радиосигналов в оптическом диапазоне. При этом переход на этот диапазон сигналов позволит построить процессор БРВУ без разбиения рабочего частотного диапазона на большое число поддиапазонов (каналов) с возможностью сканирования частоты в единственном канале приема, т.е. упростить общую схему и повысить скорость реакции. Это позволит улучшить общие экономические, массогабаритные и эксплуатационные характеристики при одновременном расширении рабочего диапазона вплоть до миллиметрового диапазона волн.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении схемы и повышении скорости блокирования командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами за счет преобразования каждого принятого во всей рабочей полосе блокиратора командного радиосигнала в оптический диапазон и формирования в этом диапазоне его задержанных копий, которые в виде помехи накладываются на исходный сигнал так, что после передачи в эфир он не может быть распознан установленным на детонаторе взрывчатого вещества радиоприемным устройством.
Указанный технический результат достигается тем, что способ подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами заключается в приеме через всенаправленную приемную антенную систему командного радиосигнала в полосе 20-6000 МГц в телекоммуникационном стандарте и преобразовании этого сигнала в электрооптическом преобразователе в сигнал оптического диапазона, передачи преобразованного сигнала в пассивную оптическую схему задержки для внесения искажений в этот сигнал и снижения его качества за счет интерференции этого сигнала, преобразовании сигнала оптического диапазона с внесенными искажениями в оптико-электрическом преобразователе для придания этому сигналу вид радиосигнала в телекоммуникационном стандарте и на частоте, соответствующей частоте приема исходного командного сигнала, и передачи его в окружающую среду посредством всенаправленной передающей антенной системы.
При этом внесение искажений можно осуществлять путем создания в течение времени передачи командного сигнала более одной задержанных копий принятого радиосигнала для обеспечения закрытия радиоканала вследствие создания недопустимо малого отношения сигнал/помеха.
Указанный технический результат также достигается тем, что сверхширокополосное радиосигнальное процессорное устройство для блокировки командных сигналов радиоуправляемых взрывных устройств содержит электрооптический преобразователь для преобразования принятых командных радиосигналов в сигналы оптического диапазона, оптико-электрический преобразователь для преобразования сигналов оптического диапазона в радиосигналы, и расположенную между ними и связанную с этими преобразователями пассивную оптическую схему задержки рециркуляционного типа для одноканальной обработки принятых командных радиосигналов в сверхширокополосном оптическом диапазоне путем создания за период времени, меньший длительности каждого командного сигнала, последовательности их ложных копий, интерферирующих с исходным радиосигналом для ухудшения качества сигналов за счет создания недопустимо малого отношения сигнал/помеха до уровня несовпадения с исходным командным радиосигналом для исключения его распознавания установленным на детонаторе взрывного устройства радиоприемным устройством.
Указанный технический результат также достигается тем, что способ построения сверхширокополосного устройства для подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами заключается в том, что в устройстве, содержащем блок приема, включающий всенаправленную приемную антенную систему, и многоканальный цифровой радиоэлектронный процессор для получения цифровых или аналоговых радиосигналов, а также блок передачи с всенаправленной передающей антенной системой, производят замену указанного многоканального цифрового радиоэлектронного процессора на оптическую схему задержки для перевода этих сигналов в оптический диапазон в телекоммуникационном стандарте для внесения искажений в эти сигналы за счет интерференции этих сигналов за время, меньшее длительности каждого командного сигнала.
При этом искажение радиосигнала осуществляют путем создания в течение времени передачи командного сигнала ряда задержанных копий принятого радиосигнала с недопустимо малым отношением сигнал/помеха.
Указанные результаты достигаются в том, что производят замену в схеме фиг. 1 цифрового радиоэлектронного процессора 2 на сверхширокополосный оптоэлектронный радиосигнальный процессор (ОЭРП) с переносом операций обработки принятых цифровых радиосигналов любого современного телекоммуникационного стандарта в оптический диапазон и передачи на той же радиочастоте искаженного путем вышеуказанной обработки радиосигнала так, чтобы он не мог быть принят и обработан приемником детонатора СВУ. Искажение радиосигнала осуществляется не путем введения дополнительной усложняющей схему БРВУ оптимальной заградительной помехи, а путем создания в течение времени передачи сигнала подрыва ряда задержанных копий принятого радиосигнала, что обеспечивает надежное закрытие радиоканала вследствие создания недопустимо малого отношения сигнал/помеха.
На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема БРВУ, построенного на базе известного способа-аналога.
На фиг. 2 представлена функциональная схема ЦРЭП БРВУ, поясняющая известный радиоэлектронный способ его реализации-прототип.
Фиг. 3 поясняет способ построения ОЭРП на базе радиофотонной технологии согласно изобретению.
Фиг. 4 представляет пример реализации сверхширокополосного ОЭРП согласно предложенному способу.
Фиг. 5 иллюстрирует модель ОЭРП в САПР VPI Photonics Design Suite согласно изобретению.
Фиг. 6 представляет пример неискаженной звездной диаграммы, обеспечивающей открытый канал радиосвязи.
Фиг. 7 представляет пример искаженной звездной диаграммы на выходе ОЭРП при передаче цифрового радиосигнала в формате 16-QAM по стандарту 5G NR ETSITS 136 104.
В настоящем изобретении предлагается новый радиофотонный способ построения процессора блокиратора радиоуправляемых взрывных устройств следующих поколений, технические преимущества которого заключаются в переносе операций формирования и обработки радиосигналов в оптический диапазон, где они осуществляются с высокими качеством и скоростью при мгновенной полосе обрабатываемого сигнала до терагерцевого диапазона. Применение предложенного способа также обеспечивает улучшение общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик БРВУ за счет возможности универсального конструктивного исполнения вместе с экономичными блоками приема и передачи радиосигналов при отсутствии проблем электромагнитной совместимости входящих узлов и уменьшении общей массы устройства за счет использования для обработки сигналов в процессоре оптического волокна, масса которого гораздо меньше по сравнению с коаксиальным кабелем или металлическим волноводом.
Данный способ основан на применении для обработки принятого радиосигнала одноканального оптоэлектронного процессора, в котором осуществляются операции его повышающего преобразования в оптический диапазон путем модуляции источника лазерного излучения, создания паразитных копий путем задержки модулированного оптического сигнала и последующего понижающего преобразования на ту же радиочастоту путем прямого фото детектирования.
Структурная схема, поясняющая предложенный способ построения ОЭРП на базе радиофотонной технологии согласно изобретению, представлена на фиг. 3. В данной схеме основными элементами являются электрооптический 18 и оптико-электрический 19 преобразователи (соответственно - ЭОП и ОЭП), с помощью которых осуществляется прямой и обратный перенос принятого радиосигнала в оптический диапазон и из оптического диапазона, и расположенная между ними пассивная оптическая схема задержки 20 (ОСЗ), с помощью которой осуществляется соответствующая обработка в оптическом диапазоне с целью создания интерференции с исходным радиосигналом так, чтобы ухудшить его качество настолько, чтобы после обратного ОЭП и передачи в эфир он не мог быть распознан установленным на детонаторе взрывчатого вещества (ВВ) радиоприемным устройством. Все элементы предложенной схемы реализованы в современной телекоммуникационной промышленности. В частности, в качестве ЭОП 18 и ОЭП 19 в системах волоконно-оптической связи стандартно используются полупроводниковые лазерный и фотодиодный модули (ПЛМ и ФДМ) с соответствующей верхней частоте рабочего диапазона БРВУ полосой пропускания. Эффективность функционирования ОСЗ 20 на базе простой пассивной схемы, содержащей стандартное одномодовое оптическое волокно определенной длины либо их набор, подтверждена, как для обработки (создания копий) импульсных радиосигналов, так и для ретрансляции цифровых телекоммуникационных радиосигналов. Такое упрощение схемы ОЭРП позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики и потребляемую мощность БРВУ. В перспективе данный ОЭРП может быть выполнен в виде радиофотонной интегральной схемы, что приведет к еще более значительному уменьшению габаритов БРВУ.
Для пояснения принципа функционирования предложенного способа фиг. 4 иллюстрирует пример реализации сверхширокополосного ОЭРП согласно предложенному способу. В соответствие с фиг. 3 и фиг. 4 в состав ОЭРП входят ЭОП 18 на базе ПЛМ и ОЭП 19 на базе ФДМ, с помощью которых осуществляется прямой и обратный перенос принятого радиосигнала в оптический диапазон, и расположенная между ними пассивная ОСЗ 20 рециркуляционного типа на базе оптического разветвителя 21 Х-типа и отрезка оптического волокна 22 (ОВ) определенной длины, с помощью которой осуществляется соответствующая обработка в оптическом диапазоне с целью создания интерференции с исходным радиосигналом. Для компенсации потерь при электрооптическом и оптико-электрическом преобразованиях в схеме ОЭРП после фотодиодного модуля может быть введен предварительный электронный усилитель (ПЭУ). Однако этот элемент является неосновным в данном случае, и компенсация может быть осуществлена в последующем блоке передачи БРВУ (см. фиг. 1). В связи с этим он отсутствует на схеме фиг. 4. В принципе, для создания большого числа копий также пригодна многоотводная ОСЗ. Однако из соображений компактности радиофотонного БРВУ был выбран рециркуляционный тип ОСЗ.
Схема по фиг. 4 может быть реализована на базе серийно выпускаемых фотонных и радиофотонных элементов и узлов, широко используемых в современной аппаратуре телекоммуникационных волоконно-оптических систем. Чтобы подтвердить эффективность работы предложенного ОЭРП, в частности, определить технические параметры его ключевых элементов и оценить время реакции БРВУ было проведено компьютерное моделирование эффекта блокирования канала связи при подаче на его вход стандартных телекоммуникационных радиосигналов. В частности, с целью практической направленности исследования выбран широко распространенный в современной сотовой связи формат цифровой модуляции обрабатываемого радиосигнала: 16-позиционная квадратурная амплитудная модуляция 16-QAM (стандарт 5G NR ETSI TS 136 104). Оценка закрытия канала радиосвязи производилась качественно по звездной диаграмме (ЗД), в которой значения комплексной амплитуды радиосигнала (I, Q) представляются в виде точек на двухмерной точечной диаграмме на комплексной плоскости, и количественно по величине EVM (error vector magnitude). Критерием надежного закрытия канала считался в соответствие с вышеуказанным стандартом: EVM≥12.5%.
Фиг. 5 иллюстрирует соответствующую схеме фиг. 4 модель предложенного ОЭРП и схему измерительной установки для проведения модельного эксперимента в САПР VPI Photonics Design Suite. Основной подход к моделированию состоит в применении в моделях технических параметров серийно выпускаемых приборов и устройств, что обеспечивает практическую достоверность полученных результатов. В частности, в качестве прототипа для модели ПЛМ выбран широко применяемый в современных телекоммуникационных системах электро-абсорбционный лазер (ЭАЛ), в котором на одном полупроводниковом кристалле объединены лазер как источник оптического излучения и электро-абсорбционный модулятор как ЭОП. А именно, использован ЭАЛ модели DFB-1550-EAM-12 производства фирмы Optilab, США со следующими основными параметрами: длина волны оптического излучения 1550,92 нм, выходная мощность 5 мВт, полоса модуляции 0-10 ГГц. Отметим, что в связи с отсутствием в данной САПР библиотечной модели ЭАЛ на фиг. 5 он показан в виде двух отдельных элементов: лазера и электроабсорбционного модулятора (ЕА), что не повлияло на точность расчетов.
В качестве прототипа библиотечной модели ФДМ выбран фотодетектор модели PDI-35-P10-10G-W производства фирмы Laserscom, Беларусь со следующими основными параметрами: спектральный диапазон длин волн 1530-1565 нм, токовая чувствительность 0,95 А/Вт, полоса пропускания по выходу 0-10 ГГц. Для моделирования в соответствие с фиг. 4 ОСЗ 21 рециркуляционного типа выбрана схема, содержащая библиотечные модели оптической петли (Loop) и элемента задержки τ. Связь задержки τ с длиной отрезка ОВ определяется по известной формуле:
ƒ
ƒ
где L - длина оптического волокна в ОСЗ; с - скорость света; n - групповой показатель преломления ОВ (n=1,47 для стандартного одномодового OB SMF-28+). Кроме того, для обеспечения реалистичного коэффициента передачи ОЭРП после модели ФДМ введена библиотечная модель ПЭУ с регулируемым коэффициентом усиления. Прототипом для нее выбран ПЭУ модели RLNA01M10GC производства RF Lambda, США со следующими параметрами: рабочая полоса частот 0,01-10 ГГц, коэффициент усиления, не менее 30 дБ, коэффициент шума не более 3 дБ.
Помимо модели исследуемого ОЭРП в схеме фиг. 5 присутствуют две инструментальные библиотечные модели. Первая - для имитации РЧ радиопередатчика с 16-QAM на скорости 100 Мбит/с, содержащая библиотечные модели генератора QAM, выходной блок управления мощностью, электрический усилитель и блок, устанавливающий желаемое отношение сигнал/шум (С/Ш). Этот модуль генерирует электрический сигнал M-QAM, преобразованный с повышением частоты на заданную радиочастотную несущую. Вторая - для имитации радиоприемника 16-QAM. Данный модуль детектирует РЧ-сигнал, декодирует электрический сигнал 16-QAM и оценивает величину амплитуды вектора ошибок (EVM) сигнала с QAM. Модель Numeric 2D Analyzer используется для двухмерного графического представления данных с выхода приемника.
Ниже приводятся результаты модельных экспериментов при приеме радиосигнала на верхней частоте рабочей полосы ОЭРП 6 ГГц и длине ОВ, соответствующей времени задержки в ОСЗ τ=0,5 мкс. С целью краткости их пояснения принята следующая терминология: случай отсутствия подавления радиосигнала СВУ (EVM≤12.5%) будет называться: «открытый канал радиосвязи», которому соответствует «неискаженная звездная диаграмма (ЗД)» на выходе ОЭРП. И наоборот, случай подавления радиосигнала СВУ (EVM>12.5%) будет называться: «закрытый канал радиосвязи», которому соответствует «искаженная ЗД» на выходе ОЭРП.
Пример моделирования ЗД на выходе ОЭРП представлен на фиг. 6. В частности, на фиг. 6 показана неискаженная ЗД при EVM=2,6%, обеспечивающем открытый канал радиосвязи, а на фиг. 7 - искаженная ЗД при EVM=27%, полученная при тех же параметрах расчета. Как видно из фигур, эффект закрытия канала радиосвязи приводит к существенному искажению ЗД, выражающемуся в уменьшении расстояния между двумя ближайшими точками созвездия, их смещении, как по I, так и Q осям, в появлении ложных точек и т.д. В ходе моделирования также проведен анализ влияния числа проходов в ОСЗ N на величину EVM на выходе ОЭРП. В результате показано (см. таблицу 1 - результаты моделирования времени реакции предложенной схемы БРВУ, подтверждающие эффективность предложенных в настоящем изобретении способа построения и устройства для его осуществления), что надежное закрытие канала радиосвязи обеспечивается уже при N=2 (N - число проходов) и его уровень продолжает возрастать по мере увеличения числа рециркуляций. Таким образом, время реакции предложенного БРВУ находится на уровне 1 мкс, что значительно меньше по сравнению с чисто радиоэлектронными аналогами.
Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть реализовано с использованием известных технологий по созданию радиоэлектронных приборов и позволяет не только упростить конструкцию БРВУ, но и обеспечить расширение его рабочего диапазона и улучшение общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик. Изобретение позволяет повысить надежность блокировки и увеличение скорости блокирования командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами в полосе обрабатываемого сигнала до терагерцевого диапазона за счет перевода командных сигналов в оптический диапазон и формирования в этом диапазоне в период задержки этих командных сигналов их копий с искаженными параметрами, которые после передачи в эфир не могут быть распознаны установленным на детонаторе взрывчатого вещества радиоприемным устройством.