АЭРОЛОГИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С ЗАЩИЩЁННЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ
AEROLOGICAL RADAR SYSTEM WITH A PROTECTED COMMUNICATION CHANNEL

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании новых систем радиозондирования атмосферы со скрытным каналом связи передачи телеинформации с борта аэрологического радиозонда (АРЗ) на базовую наземную радиолокационную станцию (РЛС) слежения за АРЗ.
Исследование атмосферы с помощью радиозондов - метод, известный и успешно применяемый на протяжении более чем 80 лет. Информация о температуре, влажности, атмосферном давлении и скорости ветра, предоставляемая датчиками радиозонда, используется для построения карты погоды. На основе этих данных строятся прогнозы погоды, необходимые для сельского хозяйства, авиационной и космической отрасли, военного дела, других сфер человеческой активности.
Например, оперативная метеорологическая подготовка является важнейшей составной частью подготовки к стрельбе и управления огнем артиллерийских подразделений. Открытый радиоканал, по которому радиозонд передает данные на наземную станцию, демаскирует свое расположение, ставя под угрозу выполнение боевой задачи артиллерийским подразделением в случае наличия у противника средств радиолокационной разведки и противодействия. Следовательно, такой радиоканал необходимо сделать максимально незаметным с точки зрения обнаружения и максимально защищенным с точки зрения постановки преднамеренных помех вероятным противником. Одним из способов организации такого радиоканала является применение шумоподобных сигналов.
Применение шумоподобных сигналов для скрытия передаваемой по информационным каналам общеизвестно, что же касается передаваемых очень специфических сигналов (шумоподобных) с АРЗ на наземную РЛС авторам из известных источников неизвестно.
Технической задачей изобретения является повышение скрытности передаваемой по каналу связи информации от отслеживающих систем обнаружения, а также повышение помехоустойчивости в условиях естественных и преднамеренных помех.
Технический результат поставленной задачи решается за счет технического воплощения и применения теоремы Шеннона для передачи небольших объемов информации в узкой полосе частот.
Для решения поставленной задачи предлагается аэрологическая система с защищенным каналом связи, содержащая АРЗ и базовую РЛС слежения и приема телеинформации, отличающаяся тем, что шумоподобный передатчик АРЗ содержит задающий генератор, генератор М-последовательности, блок метеопараметров, фазовый кодер, сумматор по модулю 2. Двойной балансный смеситель, полосовой фильтр, выходной усилитель и передающую антенну со следующими соединениями: блок метеопараметров через относительный фазовый кодер соединен с первым вводом сумматора по модулю два, со вторым входом которого соединен выход генератор М-последовательности, выход сумматора по модулю два соединен с первым входом двойного балансного смесителя, со вторым входом которого соединен выход задающего генератора, выход двойного балансного смесителя через полосовой фильтр и выходной усилитель мощности соединен с передающей антенной; приемник шумоподобного сигнала в наземной РЛС содержит: входной усилитель, первый и второй смесители, первый и второй гетеродины, фильтры первой и второй промежуточной частоты, усилители первой и второй промежуточной частоты, трехканальный коррелятор, трехканальный генератор М-последовательности, делитель частоты на два, дифференциальный усилитель, генератор, управляемый напряжением - ГУН, удвоитель частоты, синхронный генератор, фазовый детектор - ФД, относительный фазовый детектор - ОФД - со следующими соединениями: выход приемной антенны через входной усилитель соединен с первым входом первого смесителя, со вторым которого соединен выход первого гетеродина, выход первого смесителя через фильтр первой ПZ и усилитель первой ПZ соединен с первым входом трехканального коррелятора, со вторым входом которого соединен выход трехканального генератора М-последовательности, выход этого трехканального коррелятора соединен с первым входом второго гетеродина, со вторым вводом которого соединен выход второго гетеродина, выход второго смесителя через фильтр второй ПZ соединен со входом удвоителя частоты и с первым входом фазового детектора, со вторым входом которого соединен удвоитель частоты через синхронный генератор, также фильтр второго ПZ соединен с дифференциальным усилителем через него и ГУН с делителем частоты на два, выход последнего через трехканальный генератор последовательности соединен со вторым входом трехканального коррелятора: выход фазового детектора через относительный фазовый детектор является принятыми и расшифрованными данными.
В АРЗ РФ и финской фирмы Vaisala, функционирующих, в диапазоне частот 1680 МГц, выходная мощность прибора составляет 200 мВт. Спектральная плотность мощности в этом случае составит 0,2/2500 = 80 мкВт/Гц, поскольку спектр сигнала радозонда имеет ширину примерно 2,5 кГц. В случае применения шумоподобных сигналов та же мощность будет распределена в более широкой полосе частот и спектральная плотность мощности будет равна 0,2/21,6-106 = 9,25-10'9 Вт/Гц, что почти на четыре порядка меньше. Данный результат показывает, что обнаружение такого сигнала вероятным противником на основе энергетических характеристик, крайне затруднителен.
Реальный выигрыш при обработке шумоподобного сигнала системой связи можно оценить выражением:
out
out
где М - выигрыш при обработке, дБ; G - усиление, обеспечиваемое применением расширяющего кода, дБ; L - аппаратурные потери, вызванные внутренними шумами и несовершенством компонентов, дБ; S/N - отношение сигнал/шум, необходимое для распознавания сигнала. Если система использует м-последовательности длиной 1023, то есть G=30 дБ, при этом аппаратурные потери принять равными 5 дБ, a S/N - равным 10 дБ, то реальный выигрыш при обработке системы составит всего М = 30-(5+10)=15 дБ.
На фиг. 1 показана функциональная схема шумоподобного передатчика АРЗ.
На фиг. 2 показана функциональная схема приемника наземной РЛС, на которых показано:
Схема на фиг. 1 имеет следующие обозначения:
1 - задающий генератор 1680 Гц (ЗГ);
2 - генератор М-послеовательности;
3 - метеоданные с датчиков - блок метеопараметров;
4 - относительный фазовый кодер;
5 - сумматор по модулю 2;
6 - войной балансный смеситель;
7 - полосовой фильтр 1680 Гц;
8 - выходной усилитель мощности;
А1 - первая антенна.
Схема на фиг. 2 следующие обозначения:
9 - входной усилитель;
10 - первый смеситель;
11 - первый гетеродин на 1680 МГц;
12 - фильтр первой промежутой частоты (ВПЧ);
13 -первый усилитель промежуточной частоты (ПЧ);
14 - трехканальный коррелятор;
15 - трехканальный генератор М-послеовательности;
16 - делитель частоты на два;
17 - второй смеситель;
18 - второй гетеродин на 54 МГц;
19 - фильтр второй промежуточной частоты;
20 - усилитель второй промежуточной частоты;
21 - дифференциальный усилитель;
22 - генератор управляемый напряжением (ГУН);
23 - удвоитель частоты;
24 - синхронный генератор;
25 - фазовый детектор (ФД);
26 - относительный фазовый детектор (ОФД).
Схема передающего устройства на фиг. 1 работает следующим образом.
Задающий генератор вырабатывает несущую частоту, которая поступает на двойной балансный смеситель (ДБС). ДБС в данной схеме выполняет функции фазового модулятора, модулирующего несущую частоту информационного сигнала.
На другой вход ДБС поступает информационный сигнал, формируемый следующим образом. Метеоданные с датчиков кодируются относительным фазовым кодером. Это необходимо, поскольку приемник не знает абсолютного значения фазы принимаемого сигнала, а квадратурная обработка ввиду простоты конструкции в данном случае отсутствует.
С выхода относительного фазового кодера сигнал поступает на сумматор по модулю 2, где складывается с псевдослучайной последовательностью, производимой генератором М-последовательности. От длины М-последовательности зависит помехоустойчивость и скрытность системы передачи метеоинформации. Генератор может вырабатывать М-последовательности длиной 127, 255, 511 и 1023 бита.
С выхода ДБС сигнал поступает на полосовой ПАВ-фильтр 1680 МГц для исключения из спектра предварительной обработки.
На выходе полосового ПАВ-фильтра установлен выходной усилитель мощности, предназначенный для усиления сигнала перед излучением его в эфир антенной.
На фиг. 3 показан алгоритм для скользящего коррелятора для установления корреляции.
На фиг. 4 показан принцип формирования корреляционной функции трехканальным скользящим коррелятором 14, на котором обозначено:
Схема приемного устройства работает следующим образом. Радиочастотная часть схемы состоит из усилителя СВЧ, первого смесителя, первого гетеродина, фильтра первой ПЧ и усилителя первой ПЧ.
Трехканальный коррелятор построен по схеме с изменяющейся задержкой опорного сигнала или «скользящим» опорным сигналом [8]. В процессе поиска режима синхронизации частота следования импульсов кодовой последовательности в приемном устройстве устанавливается немного другой в сравнении с тактовой частотой этой последовательности в передатчике. До достижения синхронизации одна из последовательностей «скользит» мимо другой, пока они не совпадут. Основным достоинством такого метода корреляции является его простота. Среди недостатков ключевым можно считать временные затраты, особенно при большой степени неопределенности относительно фазовой задержки между последовательностями. Как отмечается в [5], в приемной системе с полосой частот устройства обработки на выходе коррелятора, равно 1 кГц, время распознавания режима синхронизации составит приблизительно 35 мс.
Очевидно, что скорость «скольжения» определяется как параметрами радиоканала, так и частотной стабильностью тактовых генераторов и приемника и передатчика.
Алгоритм установления синхронизации показан на фиг. 3.
Три копии одной и той М-последовательности, сгенерированные трехканальным генератором сдвинуты относительно друг друга на полтакта. При этом первая копия, предшествующая остальным, называется ранней или опережающей, последняя копия, соответственно, поздней или запаздывающей. Принцип формирования корреляционной функции скользящим коррелятором показан на фиг. 4. Центральная, в смысле временного расположения, последовательность используется в приемнике для последующей демодуляции и извлечения информации.
Воспользовавшись этой формулой можно определить, например, требуемую полосу частот для системы связи с пропускной способностью 32 кБит/сек и отношением сигнал/шум - 30 дБ, т.е. 0,001.
Согласно [6] аэрологические радиозонды, использующие диапазон 1680 МГц, располагают для передачи полезной информации шириной полосы частот в размере 21,6 МГц. Поскольку выходные данные различных датчиков метеорологических параметров радиозондов не требуют передачи больших объемов 4 информации, применение шумоподобных сигналов в данном случае может быть эффективно. Для удобства оценки возможного расширения спектра в данном случае на фиг. 5 представлен график, иллюстрирующий зависимость пропускной способности системы связи от отношения сигнал/шум на воде приемного устройства для разрешенной полосы частот шириной 21.6 МГц. Данные графика рассчитаны на основе формулы (1).
Принцип формирования корреляционной функции трехканальным скользящим коррелятором (фиг. 6) следующий.
Сигналы RSSI (показывающие уровень принятого сигнала) опережающего и запаздывающего каналов подаются, соответственно, на отрицательный и положительный входы дифференциального операционного усилителя. На выходе дифференциального операционного усилителя формируется напряжение ошибки, используемое для подстройки варикапа ГУНа, управляющего (через делитель на 2) частотой следования М - последовательностей в приемнике.
Выходной сигнал центральной части приемника (обрабатывающей центральную последовательность) направляется на вход синхронного генератора. Принцип работы синхронного генератора [7] в данной схеме состоит в том, что его собственная частота при появлении внешнего сигнала, захватывается и подстраивается под его частоту. Поскольку входной сигнал промодулирован по фазе информационной составляющей, от нее необходимо избавиться, для чего в схеме предусмотрен удвоитель частоты. Из литературы известно, что возведение частоты в квадрат или удвоение частоты позволяет избавиться от фазовой модуляции. Полученная таким образом несущая частота поступает наряду с промодулированной своей версией на входы фазового детектора, на выходе которого:
а) выходной сигнал коррелятора;
б) выходной сигнал коррелятора запаздывающего канала;
в) совместная корреляционная функция, опережающего и запаздывающего сигнала;
г) выходной сигнал коррелятора центрального канала.
В схеме использованы общеизвестные технические решения и компоненты, не требующие особых пояснений. Относительный фазовый кодер применяется для того, чтобы устранить фазовую неопределенность при передаче полезного сигнала, поскольку квадратурный метод в данном случае не используется.
На фиг. 6 показан спектр шумоподобного сигнала, частота М - последовательности 4 МГц, скорость передачи полезной информации 32 кБит/сек.
Список литературы 1. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и использования радиозондовых измерительных средств. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2004. - 596 с.
2. В.А. Левченко, М.Ю. Сергин, В.А. Иванов, Г.В. Зеленин. Стрельба и управление огнем артиллерийских подразделений: Учеб. пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос.техн. ун-та, 2004. - 268 с. ISBN 5-8265-0114-6
3. Метеорологическое обеспечение стрельбы ракетных войск и артиллерии. Учеб. пособие. Часть 1. Под ред. пол-ка Зверева В.Я. - Москва: Военное изд-во Министерства обороны СССР, 1964. - 231 с, ил.
4. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с, ил.
5. Диксон Р.К. Широкополосные системы: Пер с англ./Под ред. В.И.Журавлева. - М.: Связь, 1979. - 304 с, ил.
6. ETSI EN 302 454-1 VI.1.1 (2007-07). European Standard (Telecommunications series). Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM). Meteorological Aids (Met Aids). Radiosondes to be used in the 1 668,4 MHz to 1 690 MHz frequency range. Part 1: Technical characteristics and test methods.
7. Synchronous and the Coherent Phase-Locked Synchronous Oscillators: New Techniques in Synchronisation and Tracking. Vasil Uzunoglu & Marvin H. White. IEEE Transactions on Circuits and Systems. Vol. 36, No7, July 1989.
8. A Practical Direct-Sequence Spread Spectrum UHF Link. Andre Kesteloot, N4ICK. QST magazine. [Re-printed in the ARRL Spread Spectrum Handbook (pp 8-47 - 8-54) The American Radio Relay League.