СПОСОБ ГРУППОВОГО ОПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ("СВОЙ-ЧУЖОЙ") И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ РАДАРОВ Российский патент 2014 года по МПК G01S13/78 

Решение задачи определения принадлежности мобильных объектов («свой» или «чужой») и задачи целеуказания являются одними из наиболее важных на современном «театре» военных действий. От их эффективного решения всецело зависит эффективность применения поражающих средств. На разных уровнях технологического развития и для разного рода технических средств эти задачи решались по-разному, но смысл их оставался одним и те же: квалифицировать принадлежность объекта той или иной стороне и зафиксировать его местоположение в системе координат поражающих средств. Традиционно задача «свой-чужой» состоит из двух подзадач, первая - выбор (указание) объекта и отправка ему «пароля», а вторая - получение «отзыва» от выбранного объекта. Для одиночных объектов первая подзадача решается достаточно тривиально, посредством радиозапроса, лазерного указания и т.п. Вторая - обычно решается с применением радиосвязи и шифро-кодов.

В настоящее время существует огромное количество систем-прототипов используемых для опознавания и целеуказания. В качестве простейшей можно рассматривать стандартную систему опознавания для самолетов, состоящую из радаров (для обнаружения целей) и системы закрытой радиосвязи для посылки шифрованного сигнала запроса и получения шифрованного сигнала-отзыва от объекта. В качестве более сложного прототипа можно предложить, например, систему, состоящую из боевого радара, лазерного дальномера и системы закрытой радиосвязи между «своими» объектами и средствами огневой "поддержки (истребителями, вертолетами и т.п.), на которых размещаются эти радары и дальномеры. Смысл работы такой системы будет заключаться в «обзоре» местности визуально или боевым радаром, визуальном (ручном) выборе цели, «прицеливании» при помощи лазерного дальномера, выполнении атаки и поражении цели соответствующими огневыми средствами. При этом наземный объект (если он «свой») во время лазерного прицеливания осуществляемого воздушными средствами огневой поддержки имеет возможность соответствующими датчиками обнаружить лазерный луч и шанс послать прицеливающемуся воздушному средству радиосигнал об отмене атаки. Недостатки обоих этих способов, как говорится, совершенно очевидны и говорят сами за себя, ведь в случае множества территориально или пространственно распределенных объектов, что имеет место в реальных боевых действиях, эти решения становятся или принципиально неприемлемыми или малоэффективными. В настоящее время предпринимаются попытки создания систем определения абсолютных координат объектов и осуществления целеуказания при помощи системы глобального позиционирования ГЛОНАСС. Однако, к величайшему сожалению для России, вложившей сотни миллиардов долларов ($ 5 млрд. только в 2008 году и 10 млрд. в 2009-м) в создание глобальной спутниковой навигационной системы GLONASS, миф об оборонном значении этой системы рухнул задолго до успешных испытаний Китаем и США противоспутниковых ракет. Принимая во внимание тот факт, что орбиты спутников системы GLONASS расположены в 18000 км над Землей, для подавления сигналов спутниковой навигационной системы GLONASS в радиусе 500 километров на земле достаточно всего одного высотного узкополосного передатчика помехи мощностью 1 Вт (как у сотового телефона), создавать любые: хоть оборонительные, хоть наступательные системы на ее основе - в современных условиях по меньшей мере просто нецелесообразно. Таким образом, для создания боевых систем вооружений, работающих в реальном масштабе времени и на реальном современном театре военных действий рассмотренные выше системы-прототипы не приемлемы.

Однако, с появлением высоко-защищенной и имитоскрытной C-UWB RF-технологии [1, 2, 3, 4] в России образовались возможности для создания высокоэффективных тактических систем наземных и аэрокосмических вооружений не только в плане «механической части», но, впервые, и в части его электронной и информационной составляющей, т.е. создания нового «интеллектуального» тактического оружия высочайшей эффективности и качества, способного противостоять ушедшему на экспорт «механическому». Такое оружие, созданное на основе C-UWB RTLS-систем (Real Time Locating System - система позиционирования в реальном масштабе времени) будет использовать уже существующие, причем весьма эффективные боевые радары и системы наведения поражающих средств, однако обеспечит отказ от использования абсолютных координат (и, соответственно, глобальной спутниковой навигации), что позволит оружию работать в собственной -«боевой» системе координат, предельно удобной для визуального (графического) восприятия и оценки реальной обстановки человеком и приемлемой для систем наведения различного рода вооружений. При этом система обеспечит и решение задач целеуказания и проблемы «свой-чужой» в естественном для операторов «визуальном» (графическом) режиме, независимо от времени суток, причем не только непосредственно на поле боя, но и в рамках систем «земля-воздух», «воздух-земля» - ведь C-UWB технология не восприимчива к эффекту Доплера.

В простейшем случае осуществляться это будет следующим образом: имитоскрытная мобильная RTLS- радиосеть, выполненная на базе C-UWB-технологии и размещенная, например, на танках, будет автоматически определять их расстояния друг до друга, затем, триангуляционным методом рассчитывая координаты, формировать в реальном масштабе времени карту (картину) расположения танков на местности, передавать эту картину на звено истребителей, где бортовые компьютеры автоматически ее смасштабируют, как графический объект, сличат с реальной картиной расположения объектов на местности, полученной бортовым радаром (или даже видеокамерой), отделят «своих» от «чужих», распределят цели и (поскольку бортовые радары, как правило, непосредственно связаны с системами наведения поражающих средств)… пилотам останется только выводить машины на оптимально отобранные каждому бортовым компьютером цели и запускать ракеты, что обеспечит подавляющее преимущество в боевых действиях, особенно в стратегических сражениях, где будут «задействованы» тысячи единиц боевой техники и с оценкой обстановки и принятием решений пилотам без помощи компьютерных систем просто не справиться.

В сочетании ПЗРК «Панцирь-С1» такая система будет способна обеспечить надежную защиту страны и высокую эффективность ее тактического звена. Низкая затратность создания таких систем становится особенно актуальной в связи с «переходом» оборонной отрасли на бюджетное финансирование. Ведь Индия и Китай уже насытились закупками «механического» оружия и сами тысячами начали выпускать и танки и самолеты по российским «лицензиям».

Для доказательства практической осуществимости способа и целесообразности создания такого рода систем, помимо собственно принципа «сравнения карт», который кратко был изложен выше, и при современном уровне развития компьютерной техники может быть программно реализован даже школьником [5], должна быть предложена радиочастотная технология в полной мере обеспечивающая особые качества, необходимые для систем такого рода. Т.е. это должна быть технология, обеспечивающая корреляционную обработку радиосигнала, что необходимо для прецизионного определения расстояний между взаимодействующими радиосредствами (объектами) и собственно создания RTLS-радиосети (прим. Автора: для взаимодействующих радио-систем с корреляционной обработкой сигнала определение расстояния между ними - это такой же естественный, но «побочный» результат, как и сама радиосвязь). Это должна быть технология, обеспечивающая требуемую помехозащищенность - для обеспечения функционирования системы в зонах активных преднамеренных радиопомех. Это должна быть технология, обеспечивающая абсолютную имитоскрытность и информационную безопасность - чтобы сами мобильные объекты, оборудованные подобной системой не стали отличными мишенями для радиопеленгационного оборудования и источником информации для поражающих средств противника.

Технологий, обеспечивающих все вышеперечисленные качества одновременно в мире единицы. Поэтому ниже для доказательства практической осуществимости способа предлагаемого в рамках настоящего Патента мы просто обязаны привести обоснование практической достижимости требуемых качественных показателей системы на примере использовании хотя бы одной из таких технологий. В рамках данного Патента в качестве базовой радиочастотной технологии для создания систем опознавания и целеуказания предлагается апробированная автором на дистанциях до 40 км и запатентованная в России и США C-UWB (Controlled pulse ultra wide band) технология радиосвязи [6, 7, 8].

C-UWB технология представляет собой развитие классических широкополосных технологий радиосвязи в соответствии с современными требованиями технологичности производства, интегральной реализации, минимизации себестоимости, существенного улучшения технических характеристик и конкурентоспособности на рынке. В традиционных широкополосных системах для расширения спектра используется модуляция амплитуды, фазы или частоты, либо и того, и другого, и третьего, вместе взятых. В технологии C-UWB передача информации основана на модуляции мощности сложного шумового сигнала и переходе к его некогерентной (энергетической) обработке. Это позволяет избавиться от промежуточных частот и гетерогинирования, в классическом его понимании, прецизионных фильтров, кварцевых генераторов, прецизионной автоподстройки частоты и т.п. - т.е. от всех тех элементов, которые весьма трудно, а зачастую просто невозможно интегрировать на кристалле. Предлагаемый подход позволяет добиться предельного упрощения аналоговой части радиосистемы, а вопросы корреляционной обработки радиосигнала вообще перенести на «низкую частоту», вследствие чего кардинально упрощается построение радиосистем на кристалле, причем открывается возможность создания на кристалле широкополосных цифровых приемников без использования сложных, дорогостоящих и «медленных» цифровых сигнальных процессоров (DSP). Минимальная стоимость является одним из главных преимуществ C-UWB технологии. Попутно и совершенно автоматически (аналоговая реализация обработки, вместо процессорной) достигается предельная скорость обработки сигнала и, соответственно, предельная пропускная способность радиосистемы, т.е. обеспечивается предельно возможная скорость передачи и обработки информации, что, впрочем, для предлагаемой в рамках настоящего Патента концепции обмена информацией не имеет принципиального значения. Причем сама аналоговая реализация в рамках данной технологии не требует от аналоговой схемотехники обеспечения высокой линейности преобразований -жесткого и наиболее трудно осуществимого требования для традиционных гармонических супергетеродинных систем (прим. Автора: именно этим и объясняется отсутствие в стране до настоящего времени реального производства интегральных приемников цифрового телевидения и навигационных приемников системы GLONASS). В ряде применений переход на аналоговую обработку вместо цифровой может иметь решающее значение. К примеру, ведь если бы в российском комплексе С-400 использовались классические Фурье-преобразования - эта система никогда не работала бы столь эффективно.

Переход к некогерентной (энергетической) обработке широкополосных шумоподобных радиосигналов позволил:

- избавиться от принципиально не интегрализуемых (резонансных) элементов и обеспечить возможность эффективной интегральной реализации радиосистем без использования дорогостоящих цифровых сигнальных процессоров (а это: себестоимость, производительность, надежность, масса, габариты и т.д.)

- в разы сократить аппаратурные затраты на реализацию радиотракта по сравнению с традиционными широкополосными шумоподобными системами даже при его реализации на существующей элементной базе (без учета интегральной реализации),

- избавиться от всех проблем, характерных для супергетеродинного приема (зеркальный канал, интермодуляция, фликкер-эффект, утечка сигнала и фазовые шумы гетеродина, необходимость высокой линейности радио-тракта),

- обеспечить идеальную имитоскрытность данной системы радиосвязи, ибо предложенный способ формирования и модуляции широкополосного сигнала (в отличие от существующих шумоподобных систем) обеспечивает плоскую форму спектра и отсутствие циклического повторения мощности как на любой из конкретных частот в полосе прнемо-передачи, так и на кратных гармониках.

- обеспечить безупречную двухуровневую криптозащиту: как на уровне шифрования собственно передаваемой информации, так и на уровне формирования структуры радиосигнала. Путем использования новейших достижений стохастической криптографии, разработанных специально для сред с дефицитом аппаратных ресурсов.

- исключить при обработке радиочастотного сигнала использование сигналов каких-либо внутренних генераторов приемника и, следовательно, принципиально устранить влияние эффекта Допплера на радиосистемы такого рода.

- существенно повысить термостабильность изделий, т.к. температурные изменения характеристик радиоэлементов оказывают на порядок меньшее воздействие на энергетические компоненты сигнала (основной информационный параметр предлагаемых систем), по сравнению с их воздействием на фазу и частоту - основной информационных параметр традиционных частотно-фазовых систем радиосвязи.

- дополнительно повысить стабильность работы C-UWB системы, благодаря характерному для данного метода отсутствию потерь амплитуды и накопления постоянной составляющей при преобразованиях полезного широкополосного сигнала.

Кроме того, данный подход позволил предложить уникальные по своей простоте и эффективности методы подавления мощнейших узкополосных помех - наиболее опасных для широкополосных систем радиосвязи и повысить (при прочих равных условиях) помехозащищенность предлагаемых систем еще на два порядка по сравнению с любыми традиционными широкополосными аналогами. Конечно, «за удовольствия надо платить». В данном случае «расплатой» за все перечисленные выше преимущества, является принципиальная необходимость увеличения излучаемой мощности в 1.4 раза (для достижения той же дальности, что и у традиционных радиосистем). Но это «ничто» по сравнению с открывающимися возможностями. Особенно, если принять во внимание тот факт, что на практике элементарные потери на согласовании антенн обычно значительно превышают эту разницу.

Что бы понять каким образом и в какой мере достигаются все перечисленные выше преимущества и, соответственно, подтвердить достижимость тех требований, которые предъявляются к системам целеуказания и опознавания в военных применениях, рассмотрим принципы организации и работы C-UWB систем, т.е. способы формирования сигнала в передатчике и его обработки в приемнике на примере одного из возможных вариантов реализации C-UWB-системы.

Формирование структуры C-UWB сигнала. По способам формирования структуры сигнала C-UWB технология в некотором смысле близка к CDMA-технологии (Code Division Multiple Access), запатентованной Qualcomm Corp.USA. В рамках традиционной CDMA-технологии используется расширение спектра сигнала методом прямой последовательности (DSSS), т.е. для формирования спектра непосредственно несущий высокочастотный сигнал перемножается с псевдослучайной последовательностью (ПСП). Спектр такого сигнала носит ярко выраженный характер вида (Sin(x)/x)² (Фиг.1). Но близость этих технологий заключается собственно только в использовании цифровых технологий для формирования сигнала, т.е. участия псевдослучайной последовательности (ПСП) в создании информационного сигнала для обеспечения принципа кодового разделения каналов, но не более того. Используемые в C-UWB системах способы модуляции близки к предложенным для UWB-систем компанией Time Domain (США) в том смысле, что в обоих случаях используется модуляция импульсов мощности сигнала во времени. Форма спектра сигналов, используемых в таких (классических) UWB-системах приведена на Фиг.2. ПСП в таких системах может формироваться различными способами, с применением самых различных способов кодирования (вплоть до криптографических) и самых различных псевдослучайных последовательностей, например, на основе бинарного линейного кода с возвратом к нулю. При этом получается последовательность импульсов определенной длительности, следующих с заданной частотой. В зависимости от значения бита исходного информационного сигнала, соответствующий ему импульс ПСП смещается по временной оси вперед или назад (не изменяя общую частоту следования импульсов, например, на 1/4 периода повторения импульсов). В более общем случае для модуляции может использоваться и полная «инверсия» модулируемых, например, как информационный ноль битов ПСП. Использование псевдослучайных последовательностей обеспечивает возможность кодового разделения каналов при обработке в приемнике исходного сигнала, в то время, как информационная составляющая закладывается во временные параметры такта ПСП или в наличие или в отсутствие импульса как такового.

В предлагаемых нами C-UWB системах используются псевдослучайные кодовые последовательности, формируемые методами дискретной стохостической криптографии, специально созданными для сред с дефицитом аппаратных ресурсов. В рамках C-UWB технологии промодулированный тем или иным способом во времени цифровой (информационный) сигнал в виде ПСП далее дискретно модулирует заранее подготовленную широкополосную несущую, структура которой максимально приближена к белому шуму. Результирующий сигнал с информацией будет представлять собой псевдослучайные посылки импульсов идеального шума (Фиг.3). В качестве широкополосной «несущей» возможно использование сложных сигналов (любого уровня сложности), различного вида и происхождения.

Например, для формирования широкополосной несущей можно использовать ДЧМ (дискретный частотно-модулированный) сигнал с непрерывной фазой, формируемый на основе высокочастотного опорного сигнала и псевдо-случайной последовательности, который занимает фиксированную полосу частот [F₁, F₂] с центральной частотой F₀ (очевидно, что F₀-F₁=F₂-F₀=F_пcп - это ширина полосы используемой ПСП). Такой сигнал дополнительно модулируется ПСП с периодом повторения в несколько лет, спектр которой имеет вид (Sin(x)/x)². В итоге формируется результирующий сигнал, спектр которого, являясь результатом перемножения полосового спектра и спектра вида (Sin(x)/x)², теряет характерный колоколообразный вид (Sin(x)/x)², и принимает более равномерную, практически прямоугольную, в полосе [F₁, F₂], форму (Фиг.4). Классическую UWB-технологию компании Time Domain можно рассматривать, как предельный случай C-UWB-технологии, в которой длительность шумовой посылки выходного сигнала сделали равным одному периоду сверхкороткого импульса, вместе с тем спектр C-UWB сигнала будет иметь существенно более сглаженную форму и соответственно более высокую, чем спектр CDMA (Фиг.1) имитоскрытность - т.е. скрытность в смысле возможности обнаружения источника радиосигнала и возможности обнаружения наличия радио-сигнала в радиоспектре (Прим. Автора: не путать с имитостойкостью). Структура C-UWB-сигнала полностью скрывается, представляя собой совершенно случайный (шумовой) сигнал без периодического повторения мощности на любой конкретной частоте как в основной полосе, так и на кратных гармониках. Поэтому данный шумоподобный сигнал практически невозможно идентифицировать ни специальными приемниками, ни панорамными сканерами, что имеет принципиальное значение при создании систем класса «свой-чужой» и систем целеуказания.

Обработка сигнала, подавление помех. Классические шумоподобные системы обеспечивают наивысшую помехозащищенность по сравнению с любыми другими классами систем радиосвязи. Тем не менее, попадание помех любого вида в приемный радиотракт не только существенно ухудшает соотношение сигнал/шум и соответственно ухудшает все качественные характеристики системы шумоподобной радиосвязи (в соответствии с теоремой Шеннона-Котельникова), но легко может привести к превышению предельного соотношения сигнал/шум и полному выводу из строя даже шумоподобной системы связи. Поскольку широкополосные шумоподобные системы по своей природе (в этом суть механизма корреляции) не восприимчивы ко всем подряд широкополосным помехам, а восприимчивы лишь к помехам с очень сходной структурой сигнала, да еще и синхронизированным с работой приемника, то такие «специальные» помехи действительно большой мощности, в большой полосе и на большом пространстве - исключительная редкость, даже в военное время. Наиболее реальный и опасный тип помех, критически влияющих на работоспособность систем широкополосной связи, - это мощные помехи (случайные и преднамеренные) от близкорасположенных мощных узкополосных станций, попавшие в полосу пропускания приемника.

Для борьбы с такого рода помехами в рамках C-UWB технологии предлагаются новые способы повышения помехозащищенности, обеспечивающие дополнительное ее повышение на несколько порядков (при прочих равных условиях) по отношению к классическим широкополосным шумоподобным системам, в которых помехозащищенность обеспечивается исключительно за счет увеличения базы сигнала. Эти способы определяют структуру приемника и отличаются предельной простотой реализации его аналоговой части.

Рассматриваемый способ подавления узкополосной помехи в рамках C-UWB технологии работает следующим образом. В передающем тракте формируют широкополосный шумовой сигнал в полосе частот [F₁, F₂], мощность которого модулируют по заданному закону модуляции с частотой модуляции F_мод<<(F₂-F₁), например, как это было описано ранее. Полученный сигнал передается в среду распространения, например, радиоэфир. Предположим, что в среде распространения на сигнал передатчика накладывается узкополосная помеха (узкополосный шум) и широкополосный шум (Фиг.5). Под узкополосным шумом понимаем сигнал с частотой Р_уз ∈ [F₁, F₂] и шириной спектральной полосы ΔF_уз<<F₂-F₁.

Узкополосная помеха (или группа узкополосных помех в ограниченной полосе частот), накладываемая в среде распространения (Фиг.5) на широкополосный шумовой сигнал может быть амплитудно-модулированной, частотно-модулированной, сканирующей и т.д., но должна удовлетворять следующим, отнюдь не жестким, условиям: частота узкополосной помехи F_узк должна удовлетворять условию F₁<Fyзк<F₂, a частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения помехи (ΔF_узк) должна быть много меньше, чем частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения модулированного широкополосного шумового сигнала в точке приема. Иными словами ширина спектра изменения мощности помехи должна быть много меньше ширины спектра изменения мощности полезного широкополосного сигнала. Итак, сформированный генератором 1 широкополосного шумового сигнала (см. Фиг.6) и промодулированный во времени модулятором 2 информационный радиочастотный сигнал через антенну 3 транслируется в радиоэфир, после чего принимаются антенной приемного устройства 4. В радиоэфире на информационный сигнал накладываются помехи, наиболее опасными из которых являются узкополосные. Таким образом, на вход принимающего устройства (Фиг.6) поступает сигнал, равный векторной сумме напряжений полезного сигнала U_сиг и узкополосной помехи U_узк. Этот смешанный сигнал поступает на вход полосового фильтра 5 с полосой пропускания частот [F₁, F₂]. Затем отфильтрованный сигнал, предварительно усиленный усилителем 6, разделяют на два сигнала. При этом первый сигнал получают после усиления отфильтрованного в указанной полосе частот сигнала и ограничения его по амплитуде в усилителе-ограничителе 8. При прохождении сигнала с помехой через усилитель-ограничитель помеха подавит полезный сигнал и на его выходе формируется сигнал нормированной величины U_узк/IU_узкI В качестве второго сигнала используют упомянутый отфильтрованный сигнал или отфильтрованный сигнал, усиленный линейным усилителем 7. Линейный усилитель 7 не изменяет форму отфильтрованного сигнала. Полученные два сигнала поступают на соответствующие входы блока умножения, который перемножает их, обеспечивая на выходе результирующий сигнал, спектр которого представлен на Фиг.7. Затем результирующий сигнал фильтруют полосовым фильтром 10 с полосой пропускания частот [ΔF_узк, (F₂-F₁)].

Таким образом, узкополосная помеха является гетеродином для полезного сигнала и в случае выполнения условия, при котором частотная полоса спектра ΔF_узк много меньше частотной полосы спектра изменения квадрата амплитуды напряжения модулированного широкополосного шумового сигнала, после пропускания результирующего сигнала перемножения через полосовой фильтр 10 с полосой пропускания частот [ΔF_узк, (F₂-F₁)] исключается сама узкополосная помеха (см. Фиг.8). Выделяя далее огибающую из отфильтрованного сигнала в блоке 11 выделения огибающей, получаем полезный сигнал, модулированный по мощности, который в дальнейшем обрабатывается корреляционным способом в корреляторе-демодуляторе 12 по известным законам демодуляции для получения информационного сигнала. При этом теоретически модуляция мощности F_мод может быть осуществлена самыми различными способами, например с использованием амплитудно-частотной модуляции или импульсной модуляции с применением любых способов кодирования, псевдослучайных и криптографических последовательностей.

Главным в этом методе является то, что информация закладывается в изменение мощности сигнала и передается во всей полосе частот (F₁, F₂), а при переносе спектра во время обработки в приемнике переносится вместе со спектром. Следует заметить, что описанные выше методы повышения помехозащищенности применимы и для других систем на основе широкополосных радиосигналов, передача информации у которых основана на модуляции мощности широкополосного сигнала и даже могут осуществляться процессорными методами цифровой обработки сигналов.

Определяющим фактором для данного способа подавления узкополосной помехи является частотная полоса спектра изменения мощности помехи, а не частотная полоса, занимаемая помехой в эфире. Это позволяет подавить и относительно широкополосные сканирующие помехи или даже группы помех (с собственной шириной помехи до 20% от полосы пропускания приемника), включая сканирующие помехи, причем сканирующие с любой скоростью и во всей полосе пропускания, не зная реального месторасположения помехи в спектре сигнала. Причем мощные узкополосные помехи, у которых модуляция мощности отсутствует вообще, не будут являться помехами для систем радиосвязи, основанных на C-UWB технологии. Как показали испытания, проведенные в ряде ведущих российских научных институтов, рассмотренные выше способы обеспечивают повышение помехозащищенности широкополосной шумоподобной системы связи более, чем на два порядка, по сравнению с традиционной ее реализацией.

Эффект Доплера. Большинство RF-систем дальнего радиуса действия, относящихся к рассматриваемомму сектору применений, предполагают работу с высокоскоростными мобильными объектами, поэтому, помимо высокого уровня информационной безопасности и высокого уровня помехозащищенности требуют некоторых весьма специфических качеств, связанных с мобильностью объектов. Это во-первых требование повышенной термостабильности и требование невосприимчивости в воздействию эффекта Доплера, характерного для высокоскоростных объектов, требование противодействия эффектам «Замирания сигнала» возникающих в результате интерференции сигналов, отраженных от плоских поверхностей что чрезвычайно актуально для морских и наземных мобильных объектов. Сокращение влияния эффекта Доплера на несколько порядков по сравнению с любыми другими технологиями, в рамках C-UWB технологии осуществляется благодаря использованию некогерентной (энергетической) обработки шумоподобных сигналов и отказа от частотно-фазовых методов модуляции. Действительно, в предлагаемой C-UWB технологии весь прием и вся обработка высокочастотного сигнала, включая помехоподавление и переход на низкую частоту осуществляется без использования сигналов и каких-либо конкретных частот, вырабатываемых внутренними схемами приемника (как, например, это имеет место в супергетеродинных приемниках). Поэтому каких-либо смещений фаз и изменения частот принимаемого высокочастотного сигнала (относительно сигнала гетеродина), рассогласования фильтров, обусловленного Доплеровским смещением частоты принимаемого высокочастотного сигнала оборудованию C-UWB-приемника «заметно не будет». Следовательно при обработке высокочастотного сигнала не будет необходимости ни в автоподстройке частоты ни в использовании прецизионных внутренних частот, высокочастотных генераторов и фильтров. Процесс демодуляции (т.е. непосредственно процесс выделения информационной составляющей сигнала) осуществляется корреляционным способом уже на низкой частоте - без использования непосредственно каких-либо свойств фазы и частоты высокочастотного сигнала. Вполне понятно, что проявление влияния эффекта Доплера на низкочастотный сигнал на несколько порядков слабее, чем его влияние на фазу и частоту высокочастотного радиосигнала. Все эти особенности C-UWB технологии действительно позволяет избавиться от традиционного гетерогинирования, прецизионных фильтров, кварцевых генераторов, прецизионной автоподстройки на высокой частоте и т.п. - т.е. от всех тех элементов, которые весьма трудно интегрировать на кристалле. Что кардинально упрощают ее интегральную реализацию и позволяет на порядки ослабить влияние эффекта Доплера на C-UWB системы. Наиболее критичны к эффекту Доплера сверхвысокочастотные системы, поэтому C-UWB-технология еще скажет свое слово в создании авиационных, спутниковых, ракетных и, связанных с ними, наземных комплексов и систем.

Эффект «замирания сигнала». Одним из важных достоинств широкополосных и UWB-систем, основанных на корреляционных принципах обработки сигнала является отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с сигналами, отраженными от плоских морских и наземных поверхностей. Переотражения и последующая интерференция радиоволн - это бич всех систем радиосвязи, за исключением широкополосных и сверхширокополосных шумоподобных, в которых явление «замирания» выражено не так резко. Благодаря тому, что получить сложение прямого и отраженного сигналов строго в противофазе причем сразу на всех конкретных частотах (имеющих разную длину волны, частоту и периоды колебаний) в пределах всей полосы пропускания приемника - дело такое же непростое, как и получить отраженный сигнал, строго синхронный работе коррелятора по основному сигналу. В большинстве шумоподобных систем отраженный сигнал просто поступает в коррелятор с запозданием и воспринимается им как случайная помеха, никак не воздействующая на демодуляцию прямого сигнала. Поэтому сверхширокополосные системы весьма слабо подвержены воздействию эффекта «замирания сигнала». В широкополосных шумоподобных системах, даже наоборот, существует возможность использовать переотраженные сигналы для повышения достоверности принимаемого сигнала, т.е. повышения качества радиосвязи. Для этого используется структура, называемая Rake-приемник, в котором, помимо приема прямого сигнала, параллельно работают еще несколько каналов приема с собственными корреляторами, автоматически настраивающиеся на прием отраженных сигналов, а результирующая информация либо берется с приемника, принимающего самый мощный сигнал, либо с нескольких каналов на мажоритарной основе в пределах одного или нескольких информационных пакетов. Но для целей позиционирования в реальном масштабе времени в этом, разумеется, нет необходимости.

Термостабильность. Термостабильность оборудования является обязательным требованием, предъявляемым к любым военным системам. К счастью, C-UWB технология обеспечивает на порядок более высокую термостабильность изделий, чем другие радиочастотные технологии, ведь температурные изменения характеристик радиоэлементов оказывают на порядок меньшее воздействие на энергетические компоненты сигнала (основной информационный параметр C-UWB систем), по сравнению с их воздействием на фазу и частоту - основной информационных параметр традиционных частотно-фазовых систем радиосвязи. Кроме того C-UWB технология являет собой тот редкий образец радиосистемы в которой отсутствуют и потери амплитуды и накопление постоянной составляющей при переносе (преобразовании) полосы спектра полезного широкополосного сигнала в процессе его обработки, что делает радиосистему чрезвычайно устойчивой в плане термостабильности ее рабочих характеристик. Дополнительным фактором, повышающим термостабильность, является отсутствие какого-либо взаимодействия высокочастотного полезного сигнала в процессе его обработки (на фазовом уровне) с ВЧ-сигналами, формируемыми собственными схемами приемника (такими, например, как сигнал гетеродина и т.п.) вплоть до стадии демодуляции, которая осуществляется корреляционным способом на низкой частоте - что, помимо дополнительного повышения термостабильности, делает ВЧ-тракт приемника «нечувствительным» к эффекту Доплера, но, тем не менее, сохраняет за технологией возможность и все преимущества, которые дает кодовое разделение каналов.

Имитоскрытность. Информационная безопасность характеризуется двумя главными показателями - имитоскрытностью, характеризующей возможность обнаружения радиосигнала или получения сведений о его наличии и имитостойкостью, характеризующей возможность расшифровки информации в обнаруженном и даже записанном на тот или иной носитель радиосигнале. Имитоскрытность важна в основном как раз для военных систем дальнего радиуса действия (системы позиционирования, опознавания и т.п.), для которых противопоказана радиопеленгация и справедлив принцип: «обнаружен - значит уничтожен». Для остальных систем достаточно иметь весьма сложную структуру сигнала и криптографическую защиту собственно информации. Именно сложностью структуры сигнала будет определяться возможность вскрытия его структуры. Поэтому большой практический интерес представляют RF-системы, в которых формирование самой структуры сигналов осуществляется на базе криптографических алгоритмов. Для систем опознавания и целеуказания важными являются оба свойства радиосистемы: и Имитоскрытность и имтостойкость.

Главным преимуществом C-UWB технологии с точки зрения применений для целей опознавания и целеуказания является уровень обеспечиваемой ей имитоскрытности, т.е. практическая невозможность обнаружения радиосигнала в эфире на определенном, причем уже на весьма незначительном расстоянии от передатчика. C-UWB технология является одной из немногих, если не единственной RF-технологией, которая имеет действительно «плоскую» форму спектра, и действительно шумоподобную структуру сигнала, структуру любой степени сложности, причем обеспечивающую принципиальное отсутствие периодического повторения мощности на любой конкретной частоте как в полосе передачи, так и на кратных гармониках. Обеспечивая передачу информации глубоко под уровнем радиофона местности, обеспечивая идеальную энергетическую скрытность радиосигнала, обеспечивая работу военных радиосистем (использование радиодиапазона) на вторичной основе - данная технология, по нашему мнению должна исключать возможность обнаружения средствами РЭБ противника (развед-приемниками и панорамными сканерами) как самих C-UWB радиосредств, так и факта передачи информации в эфире. Немаловажным моментом является кодирование (вплоть до криптографического уровня) самой структуры RF-сигнала, осуществляемое наряду с кодированием собственно передаваемой информации, что позволяет обеспечить практически любой требуемый уровень защиты информации в эфире.

Помехозащищенность. Не менее важным является и возможность подавления радиоканала. Помехи (случайные и преднамеренные) - главное оружие современного потенциального противника. В классических «резонансных» радиосистемах подавить любой частотный канал не составляет никакой проблемы, переход на ППРЧ и OFDM снижает вероятность подавления, но не обеспечивает имитоскрытности.

Существующие широкополосные системы с корреляционной обработкой спектра по своей природе потенциально невосприимчивы к широкополосным помехам. Помехи, коррелирующие с сигналами конкретной радиосистемы в широкой полосе и на большой территории, довольно трудно создать даже в военное время. Системы такого рода как правило работоспособны даже при полном поражении помехами до 20% частотной полосы приема. Тем не менее, отдельные мощные узкополосные помехи (случайные и преднамеренные), всегда имеющиеся в радиоспектре, особенно в боевой обстановке - от близкорасположенных радиостанций и мобильных объектов, резко ограничивают реальный динамический диапазон широкополосного приемника и существенно ухудшают соотношение сигнал/шум, что снижает все качественные характеристики, а зачастую приводит полному выходу из строя всей системы широкополосной связи. Существуют отдельные весьма затратные, зачастую несовместимые друг с другом и малоэффективные (уровень подавления 3-5 дБ) методы подавления специфических классов помех.

В рамках C-UWB технологии предложен (описанный выше) уникальный по простоте реализации и эффективности метод подавления мощнейших узкополосных помех (включая сканирующие) - наиболее опасных для широкополосных систем радиосвязи, что позволило повысить (при прочих равных условиях) помехозащищенность предлагаемых систем еще на два порядка по сравнению с любыми традиционными широкополосными аналогами, причем без увеличения себестоимости изделий. Помехозащищенность же C-UWB технологии по отношению к «обычным» неширокополосным технологиям радиосвязи выше в десятки тысяч раз. Имеются и дополнительные положительные последствия достигнутого улучшения соотношения сигнал/шум, обеспечиваемого C-UWB технологией (см. классическую формулу Шеннона- Котельникова).

Ближайшими «аналогами», если так можно выразиться, C-UWB технологии в настоящее время являются CDMA (Code Discrimination of multiple Access, Patents: Qualcomm Corp., USA) и UWB (Ultra Wide Band, "Pulse radio", Patents: Time Domain Corp, USA) RF-технологии. He лишним, по-видимому, будет напомнить, что это не просто «аналоги», ведь технология CDMA - это мировой лидер продаж в сотовой телефонии. A Time Domain Corp., - мировой лидер в области систем позиционирования в реальном масштабе времени. Данные технологии, однако, изначально предполагают применение цифровых сигнальных процессоров (DSP) для обработки радиосигнала. Обе эти технологии работают с шумоподобным сигналом, используют корреляционную обработку высокочастотного радиосигнала и реализуют принцип кодового разделения каналов. Причем в случае CDMA цифровым информационным сигналом, построенным на основе псевдослучайных последовательностей осуществляется прямое расширение спектра непрерывной узкополосной высокочастотной несущей. В случае UWB (Time Domain) в качестве несущей используются сверх-короткие по времени (но, соответственно, сверхширокополосные) моно-импульсы и используется фактически время-импульсная модуляция.

Однако, C-UWB технология обеспечивает в сотни раз более высокой, чем CDMA уровень помехозащищенности в сотни раз более высокий уровень информационной безопасности, как в плане имитоскрытности, так и в плане собственно возможности «вскрытия» структуры как RF, так и собственно информационного сигнала. Что касается классических (Time Domain) UWB-систем, то их спектральные характеристики формируются в результате импульсных преобразований сигнала и определяются в основном физическими характеристиками уникальных выходных полупроводниковых элементов и весьма «капризных» антенн, которые не могут быть ни стабильными, ни управляемыми. Для обработки таких сигналов требуются DSP с предельными характеристиками, реализуемые исключительно на основе дорогостоящих GaAs-технологий. Недостатками этой технологии является также целый шлейф патентно-судебных споров.

В предлагаемой C-UWB технологии все параметры спектра радиосигнала и информационные параметры собственно каналов приемо-передачи (скорости, кодовые крипто-последовательности. синхронизация, управление каналами и т.п.) перестраиваемы и определяются программируемой цифровой логикой или встроенным специализированным микропроцессором. Таким образом посылки радиоимпульсов. используемые в C-UWB технологии имеют контролируемую ширину и прецизионное. формируемое электронными схемами, наполнение спектра шумоподобного сигнала (сложный сигнал), обеспечивая абсолютную управляемость параметрами сигнала: диапазон, ширина полосы и любую, наперед заданную, сложность его структуры. Но главное - это возможность полной и «мгновенной» перенастройки системы в процессе боевой «работы» в случае физического захвата мобильного объекта противником. даже в случае преднамеренной (предательство) его сдачи.

Если для полноты обзора технологий-конкурентов вспомнить еще и про OFDM-системы, которые имеют на порядки большую сложность и стоимость, предполагают DSP-реализацию и несопоставимы с C-UWB-технологией в плане имитоскрытности, помехозащищенности и информационной безопасности, то можно сделать вывод, что C-UWB технология обладает преимуществами лидирующих (конкурирующих) технологий и свободна от их недостатков, как технико-экономических, так и в части прозрачности прав на интеллектуальную собственность. C-UWB технология предлагает высококачественное, широкополосное, но, одновременно, простое и дешевое аппаратное решение, допускающее интегральную реализацию и обеспечивающее предельное быстродействие, не ограниченное сложностью алгоритмов и параметрами АЦП сигнального процессора.

Будучи практически единственной имитоскрытной и помехозащищенной технологией, допускающей интегральную реализацию, C-UWB технология позволит создать действительно эффективные системы опознавания и целеуказания, позволит сделать Армию действительно мобильной не только в плане закрытой мобильной связи, эффективного целеуказания, допусков-пропусков, учета-контроля и т.п., но и в плане обеспечения мобильности наиболее уязвимого звена - организации снабжения. Интегральная реализация такого рода средств и систем качественно изменит габарито-весовые и надежностные характеристики военного снаряжения. Технология позволит качественно повысить технические характеристики большинства военных систем, приведет к созданию новых видов и систем тактических вооружений одна из которых и описана в настоящем Патенте.

Таким образом, в настоящем Патенте предложен способ группового определения принадлежности мобильных объектов («свой-чужой»), ориентированный на эффективное взаимодействие как с человеком (визуальное графическое отображение целей), так и на автоматическую непосредственную передачу данных в систему целеуказания и наведения поражающих средств современного и, что самое главное, уже существующего оружия. Способ, основанный на компьютерном сравнении карты (пространственной картины) расположения объектов, построенной методом триангуляции по данным о расстояниях между «своими» мобильными объектами, получаемым в реальном масштабе времени при помощи имитоскрытной RTLS-сети, размещенной на мобильных объектах, и карты (пространственной картины) реального фактического расположения мобильных объектов (и «своих» и «чужих), формируемой боевыми радарами средств огневой поддержки. Способ, обеспечивающий автоматическое масштабирование и автоматическую обработку: «проецирование» плоских карт и картин пространственного расположения «своих» объектов на «плоскость экрана» (обзора) боевого радара, причем под углом, соответствующем углу атаки. Способ, обеспечивающий идеальную наглядность (графическую и цветовую визуализацию целей), а также практически автоматическую «графическую привязку» целей к системе координат боевых радаров - а следовательно (т.е. практически автоматически) и к системам наведения поражающих средств, таким образом, это способ не требующий полной замены поражающих средств в системе современных вооружений. Способ, реализуемый при помощи реально существующей технологии радиосвязи, обеспечивающей принципиально необходимые качества всей системы в целом, а именно: идеальную имитоскрытность, уникальную помехозащищенность, высочайшую информационную безопасность (имитостойкость), невосприимчивость к эффекту Доплера и высочайшую термостабильность. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточных для получения требуемого технического результата. Настоящее изобретение промышленно применимо, т.к. может быть реализовано на стандартной элементной базе с использованием выпускаемых в настоящее время известных элементов преобразования сигналов, микропроцессоров, интегральных систем на кристалле, дисплеев, причем в подавляющем большинстве случаев даже без замены (посредством усовершенствования) как современных боевых радаров, так и систем наведения поражающих элементов современного оружия.

Источники информации

1. Галицын А.А. Технология C-UWB - основа для информационно-телекоммуникационных систем нового поколения. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2008, №5, с.33-37.

2. Кн. «Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами», под ред. Тузова Г.И. - М.; Радио и связь, 1985, с.51, 52, 210-212,

3. Кн. «Адресные системы управления и связи» под ред. Тузова Г.И. - М.: Радио и связь, 1993, с.35, рис 2.4 и 2.5,

4. Шахнович. И. Сверхширокополосная связь. Второе рождение? - ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2001, №4, с.8-15,

5. Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. «Проектирование радиэлектронной аппаратуры на микропроцессорах» - М., Радио и связь, 1984, с.12-44.

6. Патент №2232464 RU. Способ подавления узкополосной помехи в системе широкополосной связи. / Авт: Бобков М.Н, Галицын А.А, Калугин В.В., Приоритет от 22.08.2002.

7. US Patent №7.250.541 B2. Method for suppressing narrowband noise in a wideband communication system. / Inv.: M. Bobkov, A. Galitsyn, V. Kalugin. Priority date 22.08.2002.

8. Патент №2127021 RU, Способ повышения помехозащищенности при передаче и приеме широкополосного сигнала с расширением спектра. / Авт: Калугин В.В, Смирнов В.А., Бобков М.Н., Приоритет от 25.06.1998.

Предложенный способ ориентирован как на эффективное взаимодействие с оператором (визуальное графическое отображение целей), так и на непосредственную передачу данных в систему целеуказания и наведения поражающих средств современного оружия. Способ основан на компьютерном сравнении и выявлении различий между картой относительного расположения объектов, построенной методом триангуляции по данным о расстояниях между «своими» мобильными объектами, получаемым в реальном масштабе времени при помощи имитоскрытной RTLS-сети, размещенной на мобильных объектах, и картой реального расположения мобильных объектов («своих» и «чужих), формируемой боевыми радарами средств огневой поддержки, обеспечивает автоматическое масштабирование и автоматическую обработку («проецирование» плоских карт или картин пространственного расположения «своих» объектов на «плоскость экрана» боевого радара) информации, поступающей в реальном масштабе времени, обеспечивает наглядность, автоматическую «графическую привязку» целей к системе координат боевых радаров и к системам наведения поражающих средств, способ не требует полной замены вооружений, реализуется при помощи реально существующей технологии радиосвязи. Достигаемый технический результат - имитоскрытность, помехозащищенность, информационная безопасность (имитостойкость), невосприимчивость к эффекту Доплера и термостабильность. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ группового опознавания объектов и обеспечения целеуказания для средств огневой поддержки на основе боевых радаров и средств радиосвязи, отличающийся тем, что для опознавания объектов («свой-чужой») используют имитоскрытную беспроводную систему (сеть) позиционирования в реальном масштабе времени (RTLS - real time locating system), размещаемую на наземных или воздушных мобильных объектах, относящихся к категории «свой», соединенную посредством защищенных каналов имитоскрытной радиосвязи с используемыми в составе систем наведения воздушных или соответственно наземных средств огневой поддержки (их поражающих средств) интеллектуальными (содержащими графический процессор) боевыми радарами, причем RTLS-сеть используют для построения (например триангуляционным методом) карты (пространственной картины) расположения объектов категории «свой» в относительных координатах и ее передачи посредством средств закрытой имитоскрытной радиосвязи на компьютеры интеллектуальных боевых радаров средств огневой поддержки, которые ее масштабируют («проецируют» на плоскость обзора радара под углом, соответствующим углу атаки) как графический плоский (или пространственный) объект, сопоставляют с полученными интеллектуальными радарами реальными картинами расположения объектов на местности (в пространстве), на основе выявленных различий отделяют «свои» объекты от «чужих» объектов (целей), параллельно обеспечивая их графическую визуализацию (например в разных цветах) на экранах интеллектуальных радаров, составляют карты целей и по внутрисистемным координатам (целеуказанию) интеллектуальных радаров готовят команды системам наведения средств огневой поддержки на захват и уничтожение целей соответствующими огневыми средствами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процессоры интеллектуальных радаров средств огневой поддержки, в свою очередь, посредством имитоскрытных защищенных каналов радиосвязи объединяют в самостоятельную RTLS и информационную радиосеть, посредством которой процессоры интеллектуальных радаров в режиме реального времени составляют карту (пространственную картину) относительного расположения средств огневой поддержки, далее сопоставляют ее с картами (пространственными картинами) относительного расположения «своих» объектов и с картами целей, оптимальным образом распределяют цели для поражения между средствами огневой поддержки и по внутрисистемным координатам (целеуказанию) интеллектуальных радаров готовят команды системам наведения соответствующих средств огневой поддержки на захват и уничтожение целей имеющимися в их распоряжении огневыми средствами.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что как все объекты категории «свой», так и интеллектуальные графические процессоры всех средств огневой поддержки посредством имитоскрытных защищенных каналов радиосвязи объединяют в единую имитоскрытную и защищенную RTLS и информационную радиосеть.