СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ Российский патент 2013 года по МПК H04K3/00 

Заявляемый объект относится к радиотехнике и предназначен для создания искусственных помех, в частности для искажения навигационного поля группе пользователей в заданном районе.

Известен способ создания имитационных помех (см. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. (Средства и способы подавления и защиты радиоэлектронных систем). - М.: Воениздат, 1981, стр.50-55).

Способ-аналог включает в себя прием сигнала источника радиоизлучения на частоте f_s, задержку принятого сигнала на время Δt_з, формирование несущего колебания f_н на частоте принятого сигнала, формирование помехового сигнала путем модулирования несущего колебания задержанным принятым сигналом, усиление выходного помехового сигнала и его излучение.

Аналог позволяет создавать эффективные помехи цифровым сетям связи, работающим в симплексном (на одной частоте приема и передачи) режиме. К достоинствам способа можно отнести более низкую среднюю мощность помехи и энергопотребления передатчика. Однако способ-аналог обладает существенным недостатком: отсутствует возможность создания эффективной помехи радионавигаторам группы пользователей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).

Формирование достаточно мощной заградительной помехи (в полосе спектра излучений спутников ГНСС) приведет к тому, что последняя будет обнаружена пользователями по факту неработоспособности системы навигации. Кроме того, данный подход потребует значительно больших энергетических затрат.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ радиоподавления каналов связи по патенту РФ №2229198, МПК Н04К 3/00, опубл. 20.05.2004 г., бюл. №14.

Способ-прототип включает в себя одновременный прием в заданном районе сигналов всех пользователей, формирование несущего колебания из условия

$$f_n={\overline{f}}_c-\Delta f_i,$$

где Δf_i - разнос между i-й частотой базовой станции и i-й частотой мобильного абонента дуплексного канала связи, i=1, 2,…, N, N - число частотных каналов в стандарте сотовой системы связи, $${\overline{f}}_c$$ - среднее значение частоты группового спектра базовой станции, формируют суммарный помеховый сигнал путем модулирования несущего колебания принятыми сигналами.

Способ-прототип обеспечивает подавление группы каналов абонентов с неизвестными номерами, находящимися в пространственно ограниченном, но известном районе, с привлечением для этого минимальных материальных и энергетических ресурсов. По характеру воздействия способ обеспечивает формирование имитирующих (дезинформирующих) помех, которые служат для внесения ложной информации в подавляемые средства (см. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба: (Средства и способы подавления и защиты радиоэлектронных систем). - М.: Воениздат, 1981, стр.10-11); Владимиров В.И. Методология проектирования комплексов РЭП и их составных частей. - Воронеж, ВВИУРЭ, стр.40-46). Способ позволяет существенно снизить среднюю мощность помехи и энергопотребление передатчика. Однако способу-прототипу также присущ недостаток, связанный с отсутствием возможности создания эффективной помехи радионавигаторам группы пользователей ГНСС, находящихся в пространственно ограниченном, но известном районе.

Целью данного изобретения является разработка способа создания преднамеренных помех, обеспечивающего скрытое искажение навигационных параметров для радионавигаторов группы пользователей ГНСС, находящихся в пространственно ограниченном, но известном районе.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе создания преднамеренных помех, включающем формирование в заданном районе всем пользователям суммарного помехового сигнала, измеряют координаты собственного местоположения. Далее определяют состав орбитальной группировки ГНСС, используемой в данном районе, и номера работоспособных из их числа спутников. Одновременно принимают навигационные сообщения, передаваемые работоспособными спутниками для всех пользователей ГНСС в заданном районе. Запоминают принятые сообщения. Искажают в них навигационные сообщения, после чего формируют суммарный помеховый сигнал в виде совокупности сигналов с искаженными навигационными сообщениями. Синхронизируют суммарный помеховый сигнал с сигналами навигационных сообщений спутников ГНСС, излучают суммарный помеховый сигнал с мощностью, превышающей мощность легитимных сигналов спутников ГНСС, причем при длительной работе периодически обновляют ранее запомненные навигационные сообщения.

Навигационные сообщения искажают путем их задержки на различные временные интервалы.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что суммарный помеховый сигнал синхронизируют с навигационными сообщениями спутников ГНСС, а модулирующее напряжение помех формируют в виде группового сигнала, состоящего из искаженных навигационных сообщений работоспособных спутников, позволяет достичь цели изобретения: обеспечить скрытое искажение навигационных параметров для радионавигаторов группы пользователей, находящихся в пространственно ограниченном, но известном районе.

Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых

на фиг.1 приведен вариант использования заявляемых объектов:

а) территория без искажения навигационного поля;

б) территория с искажением навигационного поля;

на фиг.2 иллюстрируется структура передаваемых спутниками ГНСС сообщений:

а) структура передаваемого кадра;

б) структура передаваемого подкадра;

на фиг.3 показан обобщенный алгоритм искажения навигационного поля;

на фиг.4 приведена структурная схема устройства создания преднамеренных помех;

на фиг.5 показан вариант реализации устройства, использованный при проведении практических испытаний.

Одним из перспективных направлений решения проблемы информационной блокады пользователей ГНСС в пространственно ограниченном районе является формирование имитационных помех. Их применение обеспечивает скрытность воздействия на радионавигаторы и не требует значительных энергетических и материальных затрат. С помощью заявляемого способа искажают навигационные сообщения в некоторой зоне, параметры которого отличаются от истинных. В результате этого на заданной территории посторонним лицам будет невозможно определить истинные координаты объектов. Вне зоны действия заявляемых объектов навигационное поле остается легитимным.

Предположим, что необходимо у зданий №2 и №3 (см. фиг.1а) подменить координаты на близкие, но неверные, сохранив при этом истинные координаты здания №1.

При отсутствии искажений навигационного поля каждое из этих строений имеет свои координаты.

В результате воздействия заявляемыми объектами на навигационные приемники последние будут показывать координаты, заданные оператором. На фиг.1б показано, что радионавигаторы, находящиеся в заштрихованной зоне (зоне доступности имитационных помех), будут работать корректно, но при этом фиксировать ложные (заданные оператором) координаты.

Известно, что навигационные системы на базе ГНСС имеют весьма сложную частотно-временную структуру эфирных интерфейсов (см. Шебшаевич В.С. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1993 г.).

Навигационные сообщения КА ГНСС содержат оперативную и неоперативную навигационную информацию (см. фиг.2). Оперативная информация относится к тому спутнику, с которого передается данный навигационный радиосигнал, и состоит из эфемерид КА (прогнозируемых координат и параметров движения спутника на фиксированный момент времени).

Неоперативная информация содержит альманах системы (набор приближенных спутниковых данных), используемый для вычисления приблизительного местоположения спутника, времени его появления над горизонтом, возвышения и азимута. Альманах используется приемником для захвата сигналов спутников, а также в процессе планирования сеансов наблюдения. Альманах содержит данные о состоянии всех КА системы (альманах состояния), сдвиг шкалы времени каждого спутника относительно шкалы времени системы (альманах фаз), приближенные параметры орбит всех спутников системы (альманах орбит) и др.

В отличие от альманаха эфемериды имеют гораздо более высокую точность, и они используются в навигационном решении. Каждый КА передает только свои собственные эфемериды. Время их жизни составляет несколько часов, в то время как актуальность альманаха составляет 2-3 месяца.

В любой точке Земли (кроме приполюсных областей) можно одновременно принимать сигналы от 8-10 КА (из 32). Сигналы КА BPSK модулируют индивидуальными ПСП, называемыми дальномерными кодами. Поэтому для измерения разности фаз сигналов предварительно необходимо снять априорно известную модуляцию ПСП, учесть доплеровский сдвиг частоты и задержку сигнала при его распространении.

Структурное деление навигационной информации КА системы GPS осуществляется на страницы, кадры, подкадры и слова (см. фиг 2а, б). Страницы состоят из 25 кадров, а ее передача занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передается в течение 30 с и содержит 1500 бит информации. Каждый подкадр содержит 10 слов по 30 бит. Первое слово каждого подкадра содержит преамбулу, а второе - системное время. В первых трех подкадрах передается оперативная информация: данные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА.

В этих условиях оптимизированное помеховое воздействие предполагает определение собственного местоположения, состава орбитальной группировки ГНСС, доступной в данном регионе, определение номеров спутников, от имени которых будет формироваться помеховый сигнал, определение координат точки в пространстве или на земной поверхности, в которой якобы будут находиться пользователи ГНСС, пересчет координат этой точки в навигационные сообщения КА, вхождение в синхронизм с работоспособными КА ГНСС, формирование и излучение помехового сигнала в виде навигационных сообщений от имени КА ГНСС (см. фиг.3).

Рассмотрим более подробно предлагаемый способ создания преднамеренных помех, который предполагает следующее. На подготовительном этапе определяют границы района искажения навигационного поля. Далее определяют целесообразное местоположение источника оптимизированной помехи с учетом рельефа местности, городской застройки и т.д. В зависимости от размеров заданного района с учетом местных условий источник помех может размещаться как на земной поверхности в центре заданного района или объекта, так и на крыше объекта или соседнего здания, на беспилотном летательном аппарате, вертолете и т.д. При значительных размерах заданного района устройство создания преднамеренных помех целесообразно размещать на летно-подъемном средстве, например на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) Орлан-10 (см. Всероссийский аэрокосмический журнал "Вестник авиации и космонавтики"; №3, 2010 г.; http://bla-orlan.ru). После этого определяются координаты местоположения станции помех.

Для корректной подмены навигационных параметров далее необходимо осуществить анализ радиоэлектронной обстановки (РЭО), определить состав орбитальной группировки ГНСС. Собирается информация о всех спутниках, "видимых" в текущий момент времени в данной местности. Если условия приема навигационных сообщений КА неудовлетворительные (наблюдается менее трех КА), необходимость в дальнейшей работе системы отпадает. В противном случае (в случае удовлетворительной РЭО) осуществляют прием эфемерид всех КА и альманаха. Данная операция занимает около 15 минут. Принятое значение альманаха сохраняется до конца суток по международному времени и при повторных запусках системы используется без изменений. На его основе определяют состав орбитальной группировки и номера спутников.

На следующем этапе задают координаты точки, которые должны получить пользователи ГНСС, находящиеся в заданном районе (независимо от их истинного местоположения). Удаление имитируемой точки от реальной должно быть не столь существенным, чтобы не вызвать подозрений пользователей системы.

Известно, что радионавигаторы измеряют задержки распространения сигналов от каждого из "видимых" спутников, координаты которых априорно известны. Эти задержки являются исходными данными для определения координат пользователя. Зная координаты, которые должен получить пользователь системы GPS, рассчитывают задержки сигналов для всех "видимых" спутников. В результате все приемники, принимающие данный суммарный сигнал, будут получать одно и то же навигационное решение вне зависимости от собственного местоположения. С помощью регулирования взаимных задержек сигналов КА можно осуществлять управление навигационным решением одновременно всех приемников, находящихся в заданном районе. На основе результатов анализа РЭО (состава орбитальной группировки и номеров КА), рассчитанных необходимых начальных задержек сигналов каждого спутника формируют полные навигационные сообщения для всех "видимых" КА. Последние запоминают и в дальнейшем используют при формировании суммарного имитационного помехового сигнала.

На завершающем этапе формирования суммарного помехового сигнала выполняют стандартные операции: усиление и его излучение. При этом следует отметить, что сформированный суммарный помеховый сигнал излучают синхронно с излучениями легитимной группировкой ГНСС, что позволяет сократить время перехода приемника пользователя с реального навигационного поля на подменное. При близких характеристиках навигационных полей подмена происходит незаметно для пользователя. В связи с тем, что создание радиопомех абонентам ГНСС реализуют в непосредственной близости от них, то мощность помехового сигнала Р_П может составлять доли и единицы ватт.

В процессе работы выполняют корректировку взаимных задержек сигналов КА. Данная операция осуществляется путем измерения задержки между имитируемым и эталонным сигналами для каждого спутника ГНСС. Последние эквивалентно измерению расстояния, на которое реально переместился соответствующий спутник в процессе работы. По результатам выполненного анализа корректируют навигационные сообщения, используемые в дальнейшей работе.

Анализ эффективности предлагаемого способа по сравнению с классическими подходами решения поставленной задачи показал, что основными его достоинствами являются:

возможность срытого искажения навигационных параметров для навигаторов группы пользователей ГНСС, находящихся в пространственно ограниченном, но известном районе;

полная согласованность структуры радиопомех и легитимных сигналов ГНСС;

минимальные энергозатраты на создание преднамеренных помех;

структурная и конструктивная простота реализации способа.

На фиг.4 приведена структурная схема устройства создания преднамеренных помех, реализующего заявляемый способ. Устройство содержит приемный 7 и предающий 6 тракты, последовательно соединенные опорный генератор 10 и усилитель 9, высокоскоростной компаратор 8, тракт расчета псевдопараметров орбитальной группировки 2, N трактов формирования сигналов космических аппаратов 3.1-3.N, сумматор 4 и цифроаналоговый преобразователь 5. Тракт расчета псевдопараметров орбитальной группировки 2 снабжен установочной шиной 1, информационный вход и выходная шина синхронизации которого соединены соответственно с выходом приемного тракта 7 и группой управляющих входов высокоскоростного компаратора 8. Выход блока 8 соединен с входами синхронизации N трактов формирования сигналов КА 3.1-3N, сумматора 4, цифроаналогового преобразователя 5 и тракта расчета псевдопараметров орбитальной группировки 2, n-я группа информационных выходов которого, где n=1, 2,…, N, соединена с группой информационных входов n-го тракта формирования сигналов КА 3.n. Первая и вторая группы информационных выходов трактов 3.1-3.N соединены с соответствующими группами информационных входов сумматора 4. Первая и вторая группы информационных выходов блока 4 подключены к соответствующим группам информационных входов цифроаналогового преобразователя 5, выход которого подключен к первому информационному входу передающего тракта 6. Второй информационный вход передающего тракта 6 объединен с информационным входом приемного тракта 7, входом высокоскоростного компаратора 8 и подключен к выходу усилителя 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе определяют границы района, в котором будет осуществлено искажение навигационных параметров (навигационного поля). В зависимости от его размеров, а также с учетом рельефа местности, наличия производственных или иных строений и т.д. определяют место размещения устройства создания преднамеренных помех (на земле, крыше зданий, БПЛА и т.д.). Далее по шине 1 (см. фиг.4) в тракт расчета псевдопараметров орбитальной группировки 2 вводят имитационное задание, которое включает в себя время начала и конца работы устройства и координаты, которые необходимо имитировать.

Одновременно с помощью приемного тракта 7 и блока 2 выполняют прием сигналов КА ГНСС и на их основе анализ РЭО: определяют количество "видимых" в данный момент времени работоспособных КА ГНСС и их номера. Эту информацию выделяют из принятых с помощью трактов 7 и 2 эфемерид КА и альманаха. Прием альманаха составляет 15 минут. Далее значения эфемерид и альманаха хранятся в энергонезависимой памяти тракта 2. При этом альманах сохраняется до конца текущих суток (по международному времени) и при повторных включениях заявляемого устройства загружается из нее. Значения эфемерид обновляются по мере старения информации. Если в работе отмечается 1-2 КА (неудовлетворительная РЭО), необходимость в работе предлагаемого устройства отпадает. В случае обнаружения трех и более работоспособных КА устройство (тракты 2 и 3) приступают к формированию от их имени навигационных сообщений.

В функции тракта 2 входит вычисление необходимых задержек навигационных сообщений для всех работоспособных КА. Кроме того, с помощью блоков 2, 3, 8 и 10 осуществляют синхронизацию внутреннего времени устройства со временем навигационной системы. В результате с N' групп выходов тракта расчета псевдопараметров орбитальной группировки 2, где N' - текущее количество работоспособных КА, N'=3, 4,…, N, поступают соответствующие исходные данные (номер КА, требуемая задержка его сигналов, а также альманах и соответствующие значения эфемерид) каждому тракту формирования сигналов КА 3.1-3.N'. На их основе трактами 3 формируют требуемые полные навигационные сообщения. Каждый из трактов 3 настраивается на работу от имени определенного спутника, и по мере необходимости на его выходе формируют навигационные сообщения. Для установки и корректировки задержек между сигналами спутников в трактах 3 введена обратная связь между сигналами имитируемого спутника и эталонным сигналом. В качестве последнего выступают сигналы опорного генератора 10 и быстродействующего компаратора 8, которые выполняют функцию единого стандарта времени в предлагаемом устройстве.

Сформированные трактами 3 навигационные сообщения поступают на соответствующие группы входов сумматора 4. В его функцию входит объединение всех сформированных навигационных сообщений, которые далее поступают на вход цифроаналогового преобразователя 5. Далее аналоговый суммарный помеховый сигнал следует на вход передающего тракта 6. В функции последнего входит перенос сигналов на несущую частоту L1=1575,42 МГц, усиление до необходимого уровня и излучение в эфир.

С целью повышения быстродействия устройства, уменьшения массогабаритных характеристик и потребляемой электроэнергии, повышения его надежности блоки 2, 3 и 4 целесообразно реализовать (см. фиг.5) на процессоре цифровой обработки DSP TMS320c6455 (см. http://www.compel.ru) в совокупности с микросхемой FPGA Virtex XC4SX35 (блоки 1 и 5, 6) (см. там же). В этом случае вся обработка выполняется цифровыми методами в едином специализированном цифровом процессоре. На цифроаналоговый преобразователь поступает сигнал, полностью соответствующий по структуре имитируемому навигационному полю. При этом для синхронизации работы элементов всего устройства достаточно всего одного опорного генератора. Все необходимые внутренние частоты реализуют с помощью операции передискретизации сигналов на базовую опорную частоту. Такое построение серьезно удешевляет аппаратную часть за счет некоторого усложнения программной части.

Изготовлен макет устройства в соответствии с заявляемым способом изобретения и проведены его практические испытания. Устройство выполнено в соответствии с фиг.5 и размещалось на БПЛА Орлан-10. В качестве контрольного абонентского терминала использовался туристический навигатор Garmin Oregon 450. Испытания проведены на среднепересеченной местности. Последние показали, что при высоте полета Орлан-10 2 км обеспечивается гарантированное искажение навигационного поля на территории радиусом 2,5 км.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания преднамеренных помех глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС). Технический результат - скрытое искажение навигационных параметров радионавигаторам группы пользователей, находящихся в пространственно ограниченном, но известном районе. Для достижения технического результата в заданном районе формируют суммарный помеховый сигнал, измеряют координаты собственного местоположения. Определяют состав орбитальной группировки ГНСС, используемой в данном районе, и номера работоспособных из их числа спутников и одновременно принимают сигналы с навигационными сообщениями, передаваемые работоспособными спутниками для всех пользователей ГНСС в заданном районе. Принятые сообщения запоминают, искажают в них навигационные сообщения, после чего формируют суммарный помеховый сигнал в виде совокупности сигналов с искаженными навигационными сообщениями, суммарный помеховый сигнал синхронизируют с сигналами навигационных сообщений спутников ГНСС, излучают суммарный помеховый сигнал с мощностью, превышающей мощность легитимных сигналов спутников ГНСС, причем при длительной работе периодически обновляют ранее запомненные навигационные сообщения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ создания преднамеренных помех, заключающийся в том, что в заданном районе формируют суммарный помеховый сигнал, отличающийся тем, что измеряют координаты собственного местополоположения, определяют состав орбитальной группировки глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), используемой в данном районе, и номера работоспособных из их числа спутников, одновременно принимают сигналы с навигационными сообщениями, передаваемые работоспособными спутниками для всех пользователей ГНСС в заданном районе, запоминают принятые сообщения, искажают в них навигационные сообщения, после чего формируют суммарный помеховый сигнал в виде совокупности сигналов с искаженными навигационными сообщениями, синхронизируют суммарный помеховый сигнал с сигналами навигационных сообщений спутников ГНСС, излучают суммарный помеховый сигнал с мощностью, превышающей мощность легитимных сигналов спутников ГНСС, причем при длительной работе периодически обновляют ранее запомненные навигационные сообщения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что навигационные сообщения искажают путем их задержки на различные временные интервалы.