СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ОТВЕТНОМ КАНАЛЕ СИСТЕМЫ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОПОЗНАВАНИЯ
FORMATION METHOD OF SIGNALS AND INFORMATION TRANSMISSION IN BACKWARD CHANNEL OF RADAR IDENTIFICATION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиоуправления и может найти применение в системах радиолокационного опознавания (РЛО), а также в системах связи с шумоподобными сигналами.
Известен способ формирования запросных сигналов в виде импульсно-временных кодов, излучаемых на фиксированной частоте. При этом способе кодовая комбинация в виде совокупности единиц и нулей представляется в виде импульсов (на месте единицы) или их отсутствия (на месте нуля). Используются так называемые гладкие (узкополосные или простые) импульсы. Способ применяется в наиболее распространенных в настоящее время запросно-ответных системах типа Mark (Мк-10 и Мк-12), а также в системе отечественного производства «Пароль» [Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007, с.412-413]. Основными характеристиками таких систем являются имитостойкость и скрытность.
В системе «Пароль» запросный сигнал включает в себя двоичный информационный код на 44 позициях, формируемый криптографическим устройством [Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007, С.413]. Недостатком указанного способа формирования запросного сигнала является его низкая помехозащищенность.
Известно, что для повышения помехозащищенности, имитостойкости и скрытности систем радиолокационного опознавания вместо простых сигналов могут применяться шумоподобные (широкополосные) сигналы (ШПС) [Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. T.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2006].
Известны способы передачи информации в системах связи с шумоподобными сигналами [Патент №2085046 «Система для передачи дискретной информации»; Патент №2219660 «Линия радиосвязи»; Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. В.Б. Пестрякова. - М.: Сов. Радио, 1973]. Известные системы связи используют шумоподобные сигналы (ШПС), полученные в результате фазовой манипуляции сигнала несущей частоты псевдослучайной последовательностью (ПСП). В данных системах связи каждый бит передаваемой информации кодируется ПСП, что позволяет обеспечить высокую помехозащищенность. Однако такие системы имеют низкую скорость передачи информации, что является их недостатком
Известен также способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с.16-18]. Известный способ передачи информации включает формирование сигналов несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют ПСП и производят ее фазовую манипуляцию бинарной последовательностью импульсов, поступающей от источника информации. В процессе фазовой манипуляции, в зависимости от того, что надо передать (1 или 0), импульсы источника информации заменяют прямой или инверсной ПСП. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе (0,180) псевдослучайной последовательностью импульсов, проманипулированной по фазе от источника информации. Сформированный на несущей частоте сигнал усиливают и излучают по каналу связи.
Недостатками описанного способа являются: низкая скорость передачи информации, так как за период ПСП можно передать только один бит информации; низкая имитостойкость и скрытность системы связи, так как для кодирования информации от источника используется только одна ПСП.
2
Первый из указанных недостатков устраняется способом, изложенным в патенте №2286017 «Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами». При этом способе формируются сигналы несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют ПСП, которую манипулируют по фазе от источника информации, а сигнал несущей частоты манипулируют по фазе псевдосучайной последовательностью импульсов, проманипулированной по фазе от источника информации. На передающей стороне цифровые данные, поступающие от источника информации за интервал времени, равный периоду ПСП, взаимно однозначно преобразуют в сдвиг элементов формируемой ПСП относительно элементов ранее сформированной ПСП. Сформированный на несущей частоте сигнал усиливают и излучают по каналу связи. На приемной стороне определяют величину этого сдвига и преобразуют ее в цифровые данные принятой информации. Данный способ позволяет за время, равное периоду ПСП, увеличить скорость передачи информации в logN+1 раз (где N - количество элементов ПСП), однако, как и ранее рассмотренные способы при использовании их в системе опознавания, не обеспечивает требуемой имитостойкости и скрытности.
(t)
(t)
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mrow><mtext>   </mtext><mi>l</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому способу формирования сигналов и передачи информации в ответном канале системы радиолокационного опознавания является способ формирования сигналов и передачи информации в системе радиолокационного опознавания [Решение о выдаче патента на полезную модель от 20.09.2012 г. по заявке №2012129132/07 (045645)], который и выбран в качестве прототипа. При этом способе передаваемый информационный код (m-разрядную кодовую комбинацию) разбивают на n кодовых комбинаций меньшей разрядности k (k<m), называемых информационными блоками. На передающей стороне формируют сигналы несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют массив накрывающих ПСП {G}. Цифровой код, поступающий от источника информации (криптографического устройства) за время длительности одного информационного блока, однозначно преобразуют в номер l функции Уолша. Для каждого информационного блока формируют фазоманипулированный сигнал (ПСП) S, представляющий собой произведение одной из ПСП массива {G} на соответствующую функцию Уолша
. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе псевдослучайной последовательностью импульсов S. Сформированный на несущей частоте фазоманипулированный сигнал (информационный импульс) усиливают и излучают в пространство. На приемной стороне для каждого принятого информационного импульса определяют номер функции Уолша, получают последовательность этих номеров и восстанавливают по ней переданный информационный код. Применение указанных выше признаков, наряду с большим объемом массива ПСП {S}, используемых при кодировании информационных импульсов, позволяет обеспечить структурную скрытность запросных сигналов и низкую вероятность их имитации противником, то есть повысить имитостойкость и скрытность системы опознавания. Однако недостатком прототипа при приеме ответчиком запросных сигналов от нескольких источников является низкая пропускная способность канала ответа.
Современные системы радиолокационного опознавания (РЛО) при работе с несколькими источниками запросных сигналов и одним ответчиком обладают низкой пропускной способностью [Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. T.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2006, с.625]. Однако при использовании в таких системах широкополосных (шумоподобных) сигналов (ШПС) возможно повышение пропускной способности приемного тракта ответчика за счет возможности одновременной работы нескольких запросчиков (абонентов) с одним ответчиком. При этом разделение перекрывающихся во времени запросных сигналов, поступающих от разных запросчиков, возможно за счет сжатия ШПС по времени при приеме. Такое разделение сигналов используется при борьбе с многолучевостью [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с.13].
Будем полагать, что приемник ответчика является многоканальным за счет разделения запросных сигналов, поступающих от разных запросчиков с задержкой друг относительно друга на небольшое время, превышающее ширину узкого центрального пика автокорреляционной функции ШПС. Поскольку в существующих системах РЛО на время формирования ответного сигнала одному из запросчиков ответчик блокируется, то все пришедшие за это время запросные сигналы от других запросчиков будут утеряны (в терминах теории массового обслуживания (ТМО), ответчик представляет собой одноканальную систему массового обслуживания (СМО) с отказами), то есть получат отказ в обслуживании. Известно, что для обслуживания всех поступивших в СМО заявок необходимо организовать очередь таких заявок, то есть преобразовать СМО с отказами в СМО с ожиданием [Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Сов. Радио, 1972, с.248-257]. Поэтому предлагается несколько принимаемых запросных сигналов записывать в запоминающее устройство (ЗУ) (запросный сигнал от каждого запросчика в свою ячейку памяти), а считывание очередного из них производить по сигналу освобождения ответчика.
зад
обрЗС
ОС
ож
При работе системы РЛО осуществляется сопоставление (привязка, отождествление) отметки опознавания, формируемой ответчиком, с отметками целей, формируемыми РЛС [Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / В.В. Васин, О.В. Власов, В.В. Григорин-Рябов и др. М.: Сов. радио, 1970, с.661-662]. Для такого сопоставления РЛС должна получить от запросчика информацию о дальности до ответившего объекта. Поскольку с момента поступления запросного сигнала до момента передачи ответного сигнала проходит некоторое время (время задержки Т), затрачиваемое на прием и обработку запросного сигнала (Т) и формирование ответного сигнала (Т), для правильного определения этой дальности запросчик должен иметь информацию об этом времени. В существующих системах РЛО время задержки фиксировано. При использовании предлагаемого способа в составе времени задержки появляется случайная величина Т - время ожидания запросного сигнала в очереди. Поэтому для сохранения привязки отметки опознавания к отметке от «цели» (своего объекта) предлагается ввести в состав ответного сигнала каждому запросчику информацию о соответствующем времени ожидания.
Заявляемый способ формирования сигналов и передачи информации в ответном канале системы радиолокационного опознавания, наряду с обеспечиваемой прототипом высокой имитостойкостью и скрытностью системы, позволяет повысить ее пропускную способность.
Достигается это за счет того, что декодированная в приемном устройстве информация от каждого запросчика записывается в запоминающее устройство ответчика, образуя очередь «заявок» на формирование соответствующего ответного сигнала (обслуживание). Случайное время ожидания в очереди каждой заявки фиксируется соответствующим счетчиком времени задержки (преобразователем «время-код»), а затем включается в состав кода ответного сигнала соответствующему запросчику. В результате, в отличие от прототипа, появляется возможность «обслуживания» нескольких запросных сигналов, поступивших одновременно на вход ответчика, что свидетельствует о повышении пропускной способности системы. Как отмечено ранее, с точки зрения ТМО прототип представляет собой одноканальную СМО с отказами, пропускная способность которой характеризуется вероятностью обслуживания заявки и рассчитывается по формуле [Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Сов. Радио, 1972, с.242-244]
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac><mtext>,                                                                                (1)</mtext></mrow>
где λ - плотность потока заявок (запросных сигналов);
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- среднее время обслуживания заявки;
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- среднее число заявок, поступающих в систему за среднее время обслуживания заявки.
обс
обс
В соответствии с (1) при высокой плотности потока заявок вероятность обслуживания заявки прототипом может быть низкой. Так, при α=1 получим Р=0,5, а с увеличением плотности потока заявок в восемь раз (α=8) вероятность обслуживания заявки снижается до Р=0,11.
обс
Поскольку при заявляемом способе могут быть обслужены все поступившие заявки, то Р=1, то есть пропускная способность системы РЛО повышается в (1+α) раз.
При этом передаваемый каждому запросчику ответный информационный код (m-разрядная кодовая комбинация), как и в прототипе, кодируется своей псевдослучайной последовательностью на основе массива накрывающих ПСП и системы функций Уолша, что обеспечивает высокую имитостойкость и скрытность системы опознавания.
В качестве примера предположим, что каждому из N=8 запросчиков требуется передать m=8 бит информации, в составе которой 4 бита ответного информационного кода (как в системе «Пароль») и 4 бита - код времени задержки. Тогда получим, что ответный сигнал каждому запросчику формируется в виде одного информационного шумоподобного импульса, а весь ответный сигнал представляет собой последовательность из 8 информационных шумоподобных импульсов, следующих друг за другом непрерывно, без временных интервалов.
(t)
(t)
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mrow><mtext>   </mtext><mi>l</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
Таким образом, при заявляемом способе передаваемый каждому запросчику информационный код (m-разрядную кодовую комбинацию) разбивают на 2 кодовых комбинации меньшей разрядности k (k<m), первая из которых представляет собой ответный код, а вторая - код времени задержки. На передающей стороне формируют сигналы несущей и тактовой частот. Из сигнала тактовой частоты формируют массив накрывающих ПСП {G}. Ответный цифровой код, поступающий от источника информации (криптографического устройства), дополняют кодом времени задержки и полученный информационный блок однозначно преобразуют в номер l функции Уолша. Для каждого информационного блока формируют фазоманипулированный сигнал (ПСП) S, представляющий собой произведение одной из ПСП массива {G} на соответствующую функцию Уолша
. Сигнал несущей частоты манипулируют по фазе псевдослучайной последовательностью импульсов S. Сформированный на несущей частоте фазоманипулированный сигнал (совокупность информационных импульсов) усиливают и излучают в пространство. В приемном устройстве соответствующего запросчика после выделения из принимаемого сигнала своего информационного импульса определяют номер функции Уолша и восстанавливают по ней переданный ответный информационный код (первую часть информационного блока) и код времени задержки (вторую часть информационного блока). Полученное время задержки используется в запросчике для определения дальности до ответившего объекта.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются:
1. Измерение случайного времени задержки ответного сигнала каждому из запросчиков, образовавшегося за счет ожидания запросных сигналов в очереди.
2. Передача соответствующего времени задержки каждому из запросчиков в составе ответного сигнала.
Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.
Применение этих признаков позволит повысить пропускную способность системы радиолокационного опознавания.
Реализация заявляемого способа возможна с помощью приведенной на фиг. структурной схемы ответчика, за основу которой, как и в прототипе, взята структурная схема передатчика [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с.16]. Для упрощения схемы структура фазового модулятора и генератора фазоманипулированного сигнала (не отличающаяся от прототипа) подробно не раскрывается. Все необходимые для реализации временной диаграммы работы ответчика импульсы (записи, считывания, запуска, останова и т.п.) формируются блоком управления и формирования управляющих сигналов (БУ) 1, связи которого с другими блоками, как и в прототипе, показаны условно (пунктирными линиями, каждая из которых может представлять из себя совокупность различных тактовых импульсов).
Поступающая с выхода каждого канала приемного устройства ответчика декодированная информация от всех запросчиков записывается в запоминающее устройство 2 (от каждого запросчика в свою ячейку памяти), образуя очередь заявок на формирование ответных сигналов. Одновременно, в каждый из моментов поступления этой информации от соответствующего запросчика БУ 1 формирует импульс запуска соответствующего счетчика времени задержки, входящего в состав блока формирования кодов времени задержки 8. Останов соответствующего счетчика производится по соответствующему управляющему сигналу от БУ 1 в момент освобождения ответчика (в момент окончания формирования ответного сигнала предыдущему запросчику). В этот же момент времени производится считывание из ЗУ 2 и запись в криптографическое устройство 3 декодированной информации от следующего по времени поступления сигнала запросчика. Тем самым, к моменту начала формирования ответного сигнала t-тому запросчику в t-том счетчике времени задержки блока 8 уже сформирован соответствующий код времени задержки, который впоследствии будет включен в состав ответного сигнала.
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mrow><mtext>   </mtext><mi>l</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>γ</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mrow><mtext>   </mtext><mi>l</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>γ</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
(t)
Предположим, что первым поступил запросный сигнал от t-того запросчика, который после декодирования через ЗУ 2 поступил в криптографическое устройство 3. Тогда по сигналу управления, поступающему от БУ 1, с первого выхода криптографического устройства 3 на первый вход схемы ИЛИ 4 поступает ответный информационный код t-тому запросчику. На второй вход схемы ИЛИ 4 с выхода соответствующего счетчика блока формирования кодов времени задержки 8 поступает код времени задержки запросного сигнала t-того запросчика. В результате с выхода схемы ИЛИ 4 на первый вход фазового модулятора (ФМ) 5 поступает сформированный из двух частей информационный блок t-тому запросчику, по которому в фазовом модуляторе 5 формируется соответствующая ему функция Уолша
. Со второго выхода криптографического устройства 3 на вход генератора фазоманипулированного сигнала (ГФМС) 9, в котором формируется массив накрывающих ПСП, выдается код номера накрывающей ПСП, по которому с его выхода на второй вход ФМ 5 поступает соответствующая ПСП
. После посимвольного перемножения функции Уолша
на накрывающую ПСП
на выходе фазового модулятора 5 получаем последовательность ШПС в виде фазоманипулированных (ФМ) сигналов, переносящую не только ответный информационный код, но и код времени задержки соответствующему запросчику (ПСП S). Эта последовательность поступает в модулятор 6, в котором осуществляется балансная модуляция колебания, вырабатываемого генератором 10 несущей частоты, ФМ сигналом. После усиления сформированного сигнала в усилителе мощности 7 сигнал поступает на антенну и излучается в пространство.
После завершения формирования ответного сигнала первому по времени запросчику с третьего выхода криптографического устройства 3 через БУ 1 на запоминающее устройство 2 выдается управляющий сигнал освобождения ответчика, разрешающий считывание из соответствующей ячейки ЗУ 2 очередного по времени прихода запросного сигнала и выдачу его в криптографическое устройство 3. Далее описанный выше процесс повторяется, пока не будут переданы информационные блоки всем запросчикам. В приемном устройстве соответствующего запросчика после выделения из принимаемого сигнала своего информационного импульса определяют номер функции Уолша и восстанавливают по ней переданный ответный информационный код (первую часть информационного блока) и код времени задержки (вторую часть информационного блока). Полученное время задержки используется в запросчике для определения дальности до ответившего объекта.