XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Аннотация

В статье рассмотрена проблема обеспечения помехозащищенности каналов связи в бесплотных авиационных комплексах разведки и мониторинга. Проведён анализ системы связи комплекса, исследованы основные направления обеспечения помехозащищенности. Проведено исследование о выборе метода расширения спектра несущей для получения низкоэнергетической системы связи с использованием сложных шумоподобных сигналов.

Актуальные вопросы построения системы связи в беспилотных авиационных комплексах

Стремительное развитие систем беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в России и за рубежом, развитие радиоэлектроники требует постоянного исследования задач построении каналов связи в беспилотных авиационных комплексах (БАК). К системам связи в БАК в настоящее время предъявляются множество требований, основными из которых являются требования по надежности передачи полезной и командно-телеметрической информации в режиме реального времени с низкой вероятностью символьной ошибки, требования по увеличению дальности работы системы связи и по уменьшению объема размеров приемо-передатчика [1].

Для решения указанных задач используется множество подходов. Значительную роль по удовлетворению требований по пропускной способности канала связи имеет выбор метода модуляции. Значительную долю международного рынка занимают традиционные системы передачи данных с проверенными методами модуляции. Например, известно, что канал радиосвязи взаимодействия БПЛА в БАК относится к авиационному каналу, который описывается многолучевой моделью с явлениями переотражения, рассеивания и дифракции [2]. Для борьбы с многолучевостью сигналов используется технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) [3], которая уже много лет эффективно применяется в современных беспроводных сетях Wifi и WiMax. Как правило, чем больше число поднесущих используется в данной технологии, тем лучше устраняется межсимвольная интерференция, и тем меньше влияние замираний в канале, обусловленных многолучевым распространением. Однако использование технологии OFDM приводит к усложнению аппаратуры, а из-за подверженности технологии проблеме доплеровского сдвига - и к некоторому ухудшению качества связи. Следовательно, использование данной технологии для передачи данных с БПЛА требует серьезной оптимизации.

Другой важной задачей в БАК является обеспечение эксплуатационной и информационной безопасности. Угрозы, такие как перехват управления БПЛА, являются очень популярными в современной мировой обстановке. Так, в декабре 2012 г. средства радиоэлектронной борьбы Ирана посадили американский беспилотник RQ 170 Sentinel [4]. Иранские спецслужбы использовали явление обнаружения сигнала за счет постоянного обмена информацией с наземной станцией управления (НС) и обращения БПЛА к спутниковой системе навигации. Также известны случаи перехвата трафика у БПЛА, использующие нешифрованные каналы связи. Исходя из вышеуказанного, следует, что в БАК мониторинга и разведки особое внимание следует уделять обеспечению помехозащищенности системы связи СС.

Описание канала связи в БАК

Циркулирующий в БАК трафик состоит из командно-телеметрической информации и данных полезной нагрузки. Особенность организации трафика в БАК мониторинга и разведки предполагает, что основную долю трафика будет занимать передача разведывательных изображений в режиме реального времени, однако командная радиолиния обладает хоть и меньшими требованиями к пропускной способности, однако требует гарантированную доставку сообщений. Ограничения по габаритам и массе приемопередающего оборудования предполагают использование единого радиоканала связи для передачи обоих типов данных [5]. Минимальные значения требуемой скорости передачи данных полезной нагрузки с БПЛА на НС – от 1 до 8 Мбит/с с вероятностью битовой ошибки не более 10^–4, а для передачи командно-телеметрических данных примерно 56 Кбит/с при вероятности 10^–6. Максимальные значения полосы частот для радиосистемы, как указывает автор в [6], зависят от рабочих диапазонов частот и типов работы (лицензионная, безлицензионная) и ограничиваются требованиями государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). В качестве примера приводится диапазон частот 2,4 ГГц, полоса занимаемых частот которого по уровню –3 дБ не превышает 15 МГц, а по нулю спектра – не более 22 МГц.

Существуют закономерности, которые справедливы для любых способов передачи данных [7]:

• увеличение скорости передачи данных приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, и соответственно к увеличению шанса возникновения битовой ошибки;

• уменьшение длительности простого сигнала приводит к расширению спектра занимаемых частот и позволяет увеличить скорость передачи данных;

На обеспечение связи в БАК значительное влияние оказывает и вид сигналов, применяемых в радиосети. Известно, что использование в радиосистемах широкополосных (ШППС) и шумоподобных сигналов (ШПС) позволяет повысить помехозащищенность канала связи. Современная помеховая обстановка, условия высокой плотности загрузки диапазона частот делают вопрос обеспечения помехозащищенности СС БАК мониторинга и разведки основным.

Помехозащищенность системы связи

Перед тем, как создать мощную результативную помеху, злоумышленнику для начала требуется обнаружить канал связи и выяснить основные его параметры. Поэтому понятие помехозащищенности рассматривается в двух аспектах и определяется скрытностью и помехоустойчивостью.

Помехоустойчивость дискретного радиоканала зависит от большого числа факторов - структуры и вида сигнала-переносчика и помех, их интенсивности, структуры приемника радиоканала, типа антенн, применяемых способов борьбы с помехами и т.д. Для увеличения помехоустойчивости радиоканала рекомендуется использовать остронаправленные антенны в вертикальной плоскости (всенаправленные в горизонтальной плоскости) с малым уровнем боковых лепестков, работать с минимально допустимым требованием качества передаваемых сообщений, допускать потери энергии при распространении и использовать сигналы-переносчики с большой базой.

Способность радиоканала не влиять на электромагнитную обстановку в регионе характеризуется его энергетической скрытностью или вероятностью сокрытия факта работы радиоканала, которое подразумевает вероятность скрытия структуры сигнала и смысла передаваемой информации. Для увеличения энергетической скрытности радиоканала (уменьшения отношения сигнал-шум на выходе линейной части стороннего приемника), необходимо, помимо вышеуказанных рекомендаций обеспечения помехоустойчивости, использовать сигнал-переносчик с наибольшим значением базы сигнала В_с, т.е. использовать сложные шумоподобные сигналы.

В_с = F_cT_c >> 1;

Сложные ШПС получаются в результате дополнительной модуляции несущей колебания по псевдослучайному закону, таким образом, что амплитудно-частотный и энергетический спектры сигнала расширяются [8]. В основе этих методов лежит расширение спектра сигнала путем перемножения сигнала на псевдослучайную последовательность (ПСП) с большим периодом.

Выбор метода расширения спектра несущей сигнала для получения сложного ШПС

В качестве сигнала-переносчика сообщений целесообразно выбрать сложный аналого-цифровой сигнал, для расширения спектра гармонической несущей которого необходимо манипулировать расширяющей функцией фазу или частоту этой несущей, либо оба параметра одновременно. В качестве расширяющей функции g(t) в [10] предлагается использовать цифровую детерминированную периодическую функцию. В зависимости от вида манипулированного параметра несущей получаются сложные фазоманипулированные или же сложные частотно-манипулированные сигналы. Другие типы сложных сигналов, согласно множеству источников [11, 14, 15] не нашли применения в системах связи, поскольку либо обладают худшими свойствами, либо не технологичны в применении.

Фазоманипулированные сложные сигналы (ФМС) представляют собой последовательность радиоимпульсов, у которых отношение периода следования импульсов к длительности импульса равно единице, и начальные фазы которых изменяются дискретно по закону g(t). Существенное преимущество ФМС сигналов состоит в том, что последовательность таких импульсов имеет идеальный пикфактор, равный единице. Другим преимуществом является простота схем модуляции и демодуляции. Эффективность ФМС также актуальна и в условиях существенных доплеровских сдвигов, что является немаловажным фактором для БАК.

Высокоскоростные, а значит и высокоэнергетические СС, предполагают использование дискрета произвольного значения, составляющего даже единицы градусов. Однако, для создания низкоэнергетических систем связи, где используется бинарная манипуляция, дискрет фазы φ может принимать только два значения: φ = gπ/2, где g = {+1,-1}.

В этом случае получаются противоположные элементарные символы, символы сообщения, и именно такие символы обеспечивают максимальную помехоустойчивость, поскольку противоположные сигналы реализуют максимально возможное расстояние в пространстве сигналов [12].

Другой вид сложных сигналов - частотно-манипулированные сигналы (ЧМС), или сигналы с дискретной частотной модуляцией (ДЧМ сигналы), образуются путем скачкообразного изменения частоты несущей. ДЧМ сигналы также имеют идеальный пикфактор, а их частота меняется дискретно по закону расширяющей функции g(t).

Для осуществления когерентной обработки ДЧМ сигнала, при его формировании необходимо использовать сетку частот, сформированную от одной и той же опорной частоты. Таким образом, техническое решение схем модуляции и демодуляции по сравнению с сигналами ФМС отличается большой сложностью. Другим недостатком ДЧМ сигналов является меньшая помехоустойчивость, поскольку символы этих сигналов ортогональны, то есть при равных условиях передачи расстояние между сигналами в пространстве сигналов будет в раз меньше. Однако, при использовании одной и той же расширяющей функции с базой B_c=L_g², где L_g = T_g / - число символов расширяющей последовательности (ПСП) (временная база сигнала), ДЧМ сигналы имеют преимущество по сравнению с ФМС по размеру ансамбля и величине базы. При этом технически реализовать ДЧМ сигнал с L_g>> 1 весьма сложно, гораздо проще реализовать ФМС сигнал, удовлетворяющий неравенству _ФМС > _ДЧМ .

Важным частным случаем ДЧМ сигналов является сигнал с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Хороших результатов в этом направлении достигли разработчики беспилотного летательного аппарата «0рлан-10», они утверждают, что их наземный пункт управления позволяет одновременно сопровождать в полете и получать по специально разработанному каналу связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты бортовую информацию от одновременно 4 беспилотных летательных аппаратов [13].

Следует учитывать, что принципиальным отличием сигнала с ППРЧ от ДЧМ сигнала является разрыв фазы при скачках частоты, что позволяет существенно упростить синтезатор сигнала, и делает СС с ППРЧ более реализуемыми.

Системы с ППРЧ подразделяются две основные категории: системы с медленной и быстрой скоростью перестройки рабочей частоты. Аппаратурная реализация радиоканала с медленной ППРЧ гораздо проще, чем с быстрой ППРЧ. Быстрая ППРЧ в свою очередь обладает лучшей помехоустойчивостью, так как она более походит на классический вид ДЧМ сигналов, а значит, и имеет их преимущества.

Особого внимания также заслуживает частотно-фазовая манипуляция (ЧФМ). ЧФМ сигнал является производным сигналом, огибающая которого является результатом перемножения исходного ДЧМ сигнала и ПСП. Таким образом, на периоде несущей база такого сигнала будет _ФМ * _ЧМ дискретов, где L – число соответствующих частотных или фазовых дискретов.

Полоса частот ЧФМ сигнала, как и ДЧМ сигнала будет определяться величиной

где - дискрет частоты при ДЧМ, причем , так как при значении большем единице будет плохое использование частот радиоканала, а при меньшем единицы – будет плохое использование интервала времени, соответствующего символу сообщения.

Таким образом, базу ЧФМ сигнала легко увеличивать как за счет уменьшения , так и за счет увеличения L_gЧМ. Это означает, что для получения большой базы сигнала можно ослабить технические трудности, возникающие при формировании ФМС или ДЧМ с такой базой. К тому же, ЧФМ сигналы обладают лучшими корреляционными свойствами за счет раздельного выбора законов модуляции фазы и частоты.

Поскольку сигнал с ППРЧ является частным случаем ДЧМ сигнала, то можно построить фазоманипулированный сигнал с ППРЧ. Естественно, наибольший интерес вызывает медленная ППРЧ с ФМ, либо с ЧМ и минимальным сдвигом, обеспечивающим непрерывность фазы несущей при смене символов. Однако для низкоэнергетических систем связи предпочтительнее ППРЧ ФМ из-за более широкого распределения энергии сигнала по диапазону радиоканала.

Исходя из проведенного анализа, и требований к наименьшему физическому объему приемо-передающего устройства, следует, что приемлемыми методами расширения несущей сигнала являются фазовая манипуляция (ФМС), псевдослучайная перестройка рабочей частоты с фазовой манипуляцией частотных позиций (ППРЧ-ФМ) и простая ППРЧ.

Далее следует выбрать тот метод, который обеспечивает наибольшую энергетическую скрытность системы связи БАК при прочих равных условиях. Поскольку отношение сигнал/шум на входе СС с ППРЧ больше единицы (при удовлетворительном качестве оно примерно равно 10), постольку сигнал с ППРЧ достаточно легко будет обнаружен сторонним приемником. В соответствии с рисунком 1 вероятность обнаружения при ложной тревоге Р_лт=10^-2 составляет величину порядка 0.6.

Рисунок 1. Зависимость Р_обн=f(q_p), характеризующая возможности стороннего приемника по обнаружению факта работы радиоканала

Следовательно, остаются сигналы ФМС и ППРЧ-ФМ. Если при их сравнении считать, что используется одна и та же радиолиния, в частности полоса радиоканала из условий распространения одинакова, то база ФМС будет существенно больше базы ППРЧ-ФМ, а значит и скрытность ФМС сигнала будет выше. Так, если полоса радиоканала допускает для ФМС сигнала B_c=10⁴, то ППРЧ-ФМ с десятью частотными позициями, равномерно распределенными в полосе, допускает B_c=10³. Тогда на основании зависимостей рисунка 1 для Р_лт=10^-2 и q_p=10² находим: вероятность обнаружения сигнала ППРЧ-ФМ составляет величину порядка 0.2, а ФМС сигнала около нуля (по аналитическим зависимостям около 7*10^-4).

Вывод

На основании проведенного анализа следует вывод о том, что для построения низкоэнергетической системы связи для БАК целесообразно применять расширение спектра несущей путем фазовой манипуляции на , то есть использовать ФМС сигнал.

Список литературы

Боев Н.М. Анализ командно-телеметрической радиолинии связи с беспилотными летательными аппаратами // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им.акад. М.Ф. Решетнева. Выпуск 2 (42) / гл. ред. д.т.н. И.В. Ковалев. — Красноярск: СибГАУ. — 2012. — C. 86–91.

А.В. Полынкин. Исследование характеристик радиоканала связи с беспилотными летательными аппаратами, - Известия ТулГУ. Техническиенауки. - 2013. - Вып.7., Ч.2 - 10с.

Richard V.N., Prasad R. OFDM wireless multimedia communication. Artech House Boston London. - 2000. - 59с.

Сашников Т.К., К вопросу обеспечения информационной безопасности беспилотных авиационных систем с летательными аппаратами малого и лёгкого класса в специализированных АСУ. - T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. – 201г. – С. 71 – 72.

Боев Н.М. Анализ радиолиний связи с беспилотными летательными аппаратами. - Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева - Красноярск – 2012. – С. 86-91.

Боев Н.М. Адаптивное изменение параметров цифровых систем связи комплексов беспилотных летательных аппаратов. - 22-я Международная Крымская конференция "СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии", -2012 г., Материалы конф.: в 2 т. – Т. 1.

Гармонов А.В. Основы теории мобильной и беспроводной связи. Учебное пособие, - Воронеж: Изд-во ВГТУ, - 2010, - 183 с.

https://studme.org/171344/tehnika/shumopodobnye_signaly.

Сашников Т.К., «К вопросу обеспечения информационной безопасности беспилотных авиационных систем с летательными аппаратами малого и лёгкого класса в специализированных асу», - 2013г., - С. 71-72.

Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхширокополосная связь. Теория и применение. - М.: Солон-Пресс, 2009. — 368 с.

Варакин Л.Е. "Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Радио и связь, 1985. -364 с."

Калинин А.И. "Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. - М.: Связь, 1979. — 296 с.

Тутубалин П.И. Кирпичников А.П. «Обеспечение информационной безопасности функционирования комплексов беспилотной разведки», - Вестник Казанского технологического университета. - 2017г. - С 86-91ю

Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др, Под ред. Ю. М. Казаринова. - Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника»/— М.: Высш. шк., 1990. — 496 с.

А. Г. Рындык. «Формирование и обработка фазоманипулированных сигналов Лабораторный практикум». - Часть учебного комплекса по дисциплине «Радиолокационные системы и комплексы». НГТУ им Р.Е.Алексеева». Нижний Новгород, 2011г. - 23с.

Код для цитирования: Скопировать