Способ обеспечения энергетической скрытности Российский патент 2019 года по МПК G01S19/03 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиосвязи, в частности, к спутниковой связи и может быть использовано в системах спутниковой связи для повышения скрытности передачи информации.

Уровень техники

Помехозащищенность систем связи (в том числе и систем спутниковой связи (ССС)) определяется их помехоустойчивостью и скрытностью [1, 2]. Помехозащищенность ССС недостаточно высока из-за низкой энергетической скрытности, обусловленной электромагнитной доступностью источника радиоизлучения, расположенного на искусственном спутнике Земли для наземного приемника радиоразведки (обнаружения сигналов, измерения их параметров, радиоперехвата сообщений и т.д.).

Условием обеспечения помехоустойчивости систем связи является превышение фактического энергетического отношения сигнал/шум h² на входе приемника над допустимым значением [1, 2]. Величина определяется по функциональной зависимости вероятности ошибки Р_ош от отношения сигнал/шум при допустимом значении вероятности ошибки Р_ош=Р_{ош доп} (для ССС принимается Р_{ош доп}=10^-5).

Скрытность радиоэлектронного устройства - это его способность противостоять мерам радиоразведки. Условием обеспечения энергетической скрытности систем связи при решении комплексом радиоразведки задачи радиоперехвата является выполнение неравенства , т.е. снижение фактического энергетического отношения сигнал/шум на входе приемника радиоперехвата по сравнению с допустимым (для обеспечения Р_{ош доп}) значением [2].

Условие можно записать через коэффициент энергетической скрытности , как γ_эс>1.

Известны способы повышения энергетической скрытности систем связи, основными из которых являются амплитудный и пространственный [3]. Амплитудный метод повышения скрытности предусматривает снижение мощности передатчика разведываемого радиотехнического устройства, чтобы мощность сигнала на входе разведывательного приемника была меньше его реальной чувствительности. Пространственная скрытность определяется диаграммами направленности антенных систем, используемых в разведываемом радиотехническом устройстве. Она тем выше, чем уже диаграмма направленности применяемых антенн и ниже уровень их боковых лепестков.

Недостатком известных [3] способов достижения энергетической скрытности (ЭС) является их качественный характер и отсутствие возможности определить коэффициент энергетической скрытности .

Известно [4] аналитическое выражение для определения коэффициента энергетической скрытности системы связи (СС) при типовом (фиг. 1) взаимном расположении ее передатчика системы связи 1, приемника системы связи 2 и приемника радиоперехвата 3 в следующем виде:

где - амплитудная составляющая коэффициента энергетической скрытности; - пространственная составляющая коэффициента энергетической скрытности, зависящая от углов рассогласования направления максимального излучения антенны передатчика системы связи 1 с направлениями на приемник системы связи 2 (θ_c) и приемник радиоперехвата 3 (θ_р).

Конкретизируем выражение для расчета коэффициента энергетической скрытности (1) для случая спутниковой связи, при типовом (фиг. 2) взаимном расположении бортового передатчика системы спутниковой связи 4, наземного приемника системы спутниковой связи 5 и приемника радиоперехвата 3, при распространении сигнала от бортового передатчика системы спутниковой связи 4 через ионосферу 6.

Бортовой передатчик системы спутниковой связи 4 характеризуется мощностью излучения P_t, коэффициентом усиления антенны G_t=G_t(θ_c=0), нормированной диаграммой направленности передающей антенны в направлении на приемник ССС F²(θ_c=0)=1, и в направлении (θ_р>0) на приемник радиоперехвата F²(θ_p)<1. Несущая частота системы спутниковой связи (ССС) обычно выбирается в диапазоне Расстояние от бортового передатчика системы спутниковой связи 4 до наземного приемника системы спутниковой связи 5 (z≈10³…4⋅10⁴ км) меньше, чем до приемника радиоперехвата 3 (z_p>z). Поэтому основные потери передачи из-за ослабления волны в свободном пространстве в радиолинии спутниковой связи будут меньше, чем в радиолинии перехвата . По этой же причине дополнительные потери передачи волны из-за поглощения волны в среде распространения (например, ионосфере) радиолинии связи L будут меньше, чем в радиолинии перехвата (L<L_p).

Наземный приемник спутниковой связи 5 характеризуется коэффициентом усиления антенны G_r, эквивалентной шумовой температурой Т_э, допустимым и фактическим h² энергетическим отношением сигнал/шум на входе приемника. Аналогично приемник радиоперехвата 3 характеризуется коэффициентом усиления антенны G_rp, эквивалентной шумовой температурой T_эр, допустимым и фактическим энергетическим отношением сигнал/шум на входе этого приемника.

При минимально возможной мощности излучения P_t бортового передатчика системы спутниковой связи 4, обеспечивающей равенство фактического энергетического отношения сигнал/шум на входе наземного приемника системы спутниковой связи 5 и его допустимого значения , равенстве коэффициентов усиления антенн наземного приемника ССС и приемника радиоперехвата (G_r≈G_rp) и одинаковых эквивалентных шумовых температурах этих приемников (T_э≈Т_эр) коэффициент энергетической скрытности ССС можно рассчитать по формуле

Выражение (2), в отличие от (1), позволяет рассчитать коэффициент энергетической скрытности ССС и конкретизировать способы повышения амплитудной и пространственной составляющих скрытности ССС.

Наиболее близкими к предлагаемому являются способы обеспечения энергетической скрытности систем связи в условиях радиоперехвата, описанные в [1, 2], основанные на анализе формулы (2):

1) уменьшение нормированной диаграммы направленности передающей антенны в направлении (θ_p>0) на приемник радиоперехвата (F²(θ_p)<1), что приводит к повышению пространственной составляющей коэффициента энергетической скрытности ;

2) уменьшение расстояния от бортового передатчика системы спутниковой связи 4 до наземного приемника системы спутниковой связи 5 (z) по сравнению с расстоянием от бортового передатчика системы спутниковой связи 4 до приемника радиоперехвата 3 (z_p);

3) уменьшение дополнительных потерь передачи в среде распространения радиоволн в линии связи (L) по сравнению с линией радиоперехвата (L_p).

Второй и третий способы согласно выражению (2) приводят к увеличению амплитудной составляющей коэффициента энергетической скрытности .

Общим недостатком перечисленных способов является их низкая эффективность в случае, когда приемник радиоперехвата 3 размещен на близком расстоянии (например, R_p≤10 км) от наземного приемника системы спутниковой связи 5.

Например, для обычных в ССС дальностях связи z≥1000 км при расстоянии радиоперехвата R_p≤10 км (см. фиг. 2) будем иметь:

С учетом соотношений (3) при близком размещении приемника радиоперехвата 3 формула для расчета коэффициента энергетической скрытности ЭС (2) сводится к виду

Важно отметить, что при решении задачи радиоперехвата (в отличие от задачи обнаружения) традиционно полагаются известными все параметры принимаемых сигналов (вид модуляции, ансамбль, база и форма сигнала, несущая частота и т.д.), за исключением информационного. Поэтому в приемнике радиоперехвата 3 принципиально возможно использовать точно такую же схему обработки (например, оптимальную), как и в наземном приемнике системы спутниковой связи 5, и обеспечить равенство допустимых отношений сигнал/шум .

При близком R_p≤10 км размещении приемника радиоперехвата 3 от наземного приемника системы спутниковой связи 5 фактические энергетические отношения сигнал/шум на входах приемников будут практически одинаковы: . Следовательно, выполнение в ССС условия обеспечения помехоустойчивости сопровождается равенством (или ), а не условием обеспечения энергетической скрытности ССС y_эс>1.

При этом представляется очевидным, что при обеспечении помехоустойчивости ССС и близком размещении приемника радиоперехвата 3 (когда ) единственным возможным способом обеспечения энергетической скрытности ССС (т.е. ) является создание условий, вынуждающих использовать в приемнике радиоперехвата 3 менее эффективную схему обработки сигналов, обеспечивающую Р_{ош доп} = 10^-5 при допустимом отношении сигнал/шум большем, чем в наземном приемнике системы спутниковой связи 5: , или .

Целью изобретения является разработка способа обеспечения энергетической скрытности ССС (γ_эс>1) при близком размещении приемника радиоперехвата 3 (когда ) без снижения требуемой помехоустойчивости на основе повышения эффективности обработки сигналов в наземном приемнике системы спутниковой связи 5 (т.е. обеспечения ).

Технический результат, который может быть получен с помощью предполагаемого изобретения, состоит в повышении помехозащищенности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата 3.

Технический результат достигается тем, что в способе обеспечения энергетической скрытности систем спутниковой связи при близком размещении приемника радиоперехвата от наземного приемника спутниковой связи для повышения эффективности обработки сигналов в приемнике спутниковой связи понижают несущую частоту до 30…100 МГц для возникновения рассеяния радиоволн на неоднородностях ионосферы и рэлеевских замираний принимаемых сигналов при трансионосферном распространении, и осуществляют разнесенный прием сигналов на две антенны.

На фиг. 3 иллюстрируется предложенный способ обеспечения высокой энергетической скрытности ССС (γ_эс>20 дБ) при близком (R_р≤10 км) размещении приемника радиоперехвата 3 от наземного приемника системы спутниковой связи 5 при распространении сигнала от бортового передатчика системы спутниковой связи 4 через ионосферу с неоднородностями электронной концентрации 7.

Способ осуществляется следующим образом. При распространении радиоволн с пониженной несущей частотой через ионосферу с неоднородностями электронной концентрации 7 к наземному приемнику системы спутниковой связи 5 и приемнику радиоперехвата 3 приходит множество (i=1…М) рассеянных неоднородностями электронной концентрации ΔN_i относительно среднего (фонового) значения (N) лучей с относительными фазовыми сдвигами [4]. По мере понижения несущей частоты относительные фазовые сдвиги приходящих лучей растут и при выполнении (на частотах ) условия Δϕ_i>>2π их интерференция обуславливает возникновение рэлеевских замираний сигналов на входе приемников (т.е. на выходе приемных антенн). При рэлеевских замираниях принимаемых сигналов для обеспечения величины P_{ош доп}=10^-5 в приемнике радиоперехвата 3, использующем одиночную (n=1) антенну и традиционную, например, некогерентную схему обработки ортогональных сигналов, потребуется обеспечить входное отношение сигнал/шум [4, 5]. При таких же замираниях в наземном приемнике системы спутниковой связи 5, использующем схему пространственно-разнесенного приема на две (n=2) антенны с некогерентном объединением ветвей, потребуется обеспечить входное отношение сигнал/шум всего [5]. В этом случае при реализации на входе наземного приемника системы спутниковой связи 5 фактического энергетического отношения сигнал/шум h²≈28 дБ на входе близко размещенного (R_р≤10 км) приемника радиоперехвата 3 достигается такое же отношение и поэтому в ССС будет одновременно выполняться:

1) условие обеспечения помехоустойчивости: ;

2) условие обеспечения энергетической скрытности: , или

Очевидно, что в приемнике радиоперехвата 3 (в отличие от наземного приемника системы спутниковой связи 5) использование приема на две (n=2) антенны, удаленными друг от друга на сотни метров, проблематично, т.к. главным требованием к приемнику радиоперехвата 3 (радиоразведки), размещенному вблизи от наземного приемника системы спутниковой связи 5, является малые массогабаритные показатели. Поэтому такие приемники радиоперехвата вынуждены использовать традиционные методы одиночного (n=1) приема сигнала (т.е. на одну антенну).

Таким образом, понижение в ССС несущей частоты до , обуславливающее рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы и возникновение рэлеевских замираний принимаемых сигналов, приводит к значительному снижению эффективности обработки сигналов с помощью традиционной (например, одиночной некогерентной) схемы обработки сигналов и необходимости увеличения допустимого отношения сигнал/шум до значения . Однако за счет применения в наземном приемнике системы спутниковой связи 5 пространственно-разнесенного приема на две (n=2) антенны возможно существенное увеличение эффективности обработки сигналов и снижение допустимого отношения сигнал/шум до значений .

Это обеспечивает при реализации одинакового фактического энергетического отношения сигнал/шум на входе наземного приемника системы спутниковой связи 5 и приемника радиоперехвата выполнение условия обеспечения помехоустойчивости и одновременно - условия обеспечения энергетической скрытности

Поэтому можно сделать вывод о том, что разработан новый способ обеспечения энергетической скрытности ССС (γ_эс>1) при близком размещении приемника радиоперехвата 3 без снижения требуемой помехоустойчивости на основе повышения эффективности обработки сигналов в наземном приемнике системы спутниковой связи 5 за счет понижения несущей частоты и применения пространственно-разнесенного приема на две (n=2) антенны.

Список использованных источников

1. Помехозащищенность радиосистем со смежными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; Под ред, Г.И. Тузова. - М: Радио и связь, 1985. - 264 с.

2. Буга Н.Н. Основы теории связи и передачи данных. Часть 1. - Л.: ЛВИКА им. А.Ф. Можайского, 1968. - 548 с.

3. Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. радио, 1976. - 496 с.

4. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - М.: Физматлит, 2006. - 184 с.

5. Андронов И.С., Финк Л.М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. - М.: Сов. радио, 1971. - 408 с.

Изобретение относится к области спутниковой связи. Технический результат состоит в повышении помехозащищенности системы спутниковой связи (ССС) за счет увеличения ее энергетической скрытности при близком размещении приемника радиоперехвата от наземного приемника ССС. Для этого излучаемые с искусственного спутника Земли радиоволны с пониженной несущей частотой (до f₀=30…100 МГц) при распространении через ионосферу испытывают рассеяние на неоднородностях электронной концентрации. Поэтому к наземному приемнику ССС и приемнику радиоперехвата приходит множество лучей с относительными фазовыми сдвигами, величина которых прямо пропорциональна флуктуациям электронной концентрации в неоднородностях ионосферы и обратно пропорциональна несущей частоте. Понижение несущей частоты передаваемого сигнала сопровождается возрастанием относительных фазовых сдвигов приходящих лучей. Когда они превышают величину 2π, интерференция этих лучей обуславливает возникновение рэлеевских замираний сигналов на входе приемника ССС и приемника радиоперехвата. Для борьбы с рэлеевскими замираниями и обеспечения допустимой вероятности ошибки в приемнике ССС целесообразно использовать пространственно-разнесенный прием сигналов на две антенны. 3 ил.

Способ обеспечения энергетической скрытности систем спутниковой связи при близком размещении приемника радиоперехвата от наземного приемника спутниковой связи, отличающийся тем, что в системе спутниковой связи устанавливают несущую частоту f₀, при которой обеспечивается рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы и возрастание относительных фазовых сдвигов приходящих лучей до значений, обуславливающих при интерференции лучей выполнение условия возникновения рэлеевских замираний принимаемых сигналов, при этом в приемнике осуществляют разнесенный прием сигналов на две антенны на несущей частоте f₀.