Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы 12
1.1. Характеристики радиоканалов связи 12
1.1.1. Основные особенности радиоканала СДВ диапазона 13
1.1.2. Распространения радиоволн в ДКМВ диапазоне 19
1.1.3. Радиоканал связи МВ-ДМВ диапазона 24
1.2. Характеристики помех в каналах радиосвязи 26
1.2.1. Классификация помех 26
1.2.2. Радиоэлектронная борьба и технические средства РЭП 32
1.2.3. Методы защиты от радиопомех и пространственная компенсация помех 37
1.3. Пространственно-временная обработка сигналов в каналах радиосвязи 40
1.3.1. Основные принципы, критерии и алгоритмы ПВОС (краткий обзор) 40
1.3.2. Возможности пространственной обработки сигналов 43
1.3.3. Анализ современного состояния дел с компенсаторами помех в каналах радиосвязи 43
1.4. Формулировка проблемы пространственной обработки сигналов в каналах радиосвязи 45
2. Экспериментальные приемные устройства с разнесенным приемом сигналов в каналах радиосвязи 47
2.1. Трехканальные приемники СДВ диапазона 47
2.1.1. Трехканальное приемное устройство на базе FSM-11 (стенд I) 47
2.1.2. Макет СДВ приемного устройства с прямым преобразованием сигнала (стенд И) 51
2.2. Аппаратура для исследования ПВОС в ДКМВ диапазоне 57
2.2.1. Трехканальное приемное устройство с поляризационным разнесением антенн на базе комплекта FSM-11 (стенд III) 57
2.2.2. Трехканальное приемное устройство с поляризационным разнесением антенн на базе радиоприемников Р-399 (стенд IV) 57
2.2.3. Двухканальные приемные устройства с пространственным разнесением антенн 58
2.3. Макет двухканального приемника МВ-ДМВ диапазона (стенд VIII) 58
2.4. Заключение к разделу 59
3. Экспериментальные исследования потенциальных возможностей пвос по компенсации радиопомех 61
3.1. Метод измерений 62
3.2. Потенциальные возможности пространственной обработки по подавлению СДВ помех 63
3.3. Предельный коэффициент подавления помех методами пространственной обработки в ДКМВ канале радиосвязи 66
3.4. Анализ дестабилизирующих факторов, ограничивающих степень подавления помех, в нестационарном и многолучевом канале связи 68
3.4.1. Нестационарность параметров канала связи (квазимонохроматические помехи) 68
3.4.2. Влияние задержек между лучами на степень подавления помех 72
3.4.3. Селективные замирания радиосигналов 75
3.4.4. Межсимвольная интерференция 81
3.4.5. Влияние многолучевости на пространственную обработку сигналов 82
3.4.6. Выводы 84
3.5. Опытные радиолинии МВ-ДМВ диапазона и динамические характеристики принимаемых радиосигналов 85
3.6. Обсуждение результатов 90
4. Алгоритмы сепарации сигнала и помех 93
4.1. Статистические принципы, слепого разделения сигналов 93
4.2. Оптимальный алгоритм сепаратора радиосигналов от нескольких источников по критерию СКО Уидроу-Хоффа с ортонормировкой входных колебаний 95
4.3. Асимптотическая оптимальность алгоритмов НОМ, УХ и УХО 109
4.4. Исследование эффективности алгоритмов сепарации с конечным временем усреднения в корреляторах 115
4.5. Субоптимальный алгоритм МСКО-МПП 118
4.6. Адаптивный алгоритм компенсации прерывистой помехи 131
4.7. Особенности алгоритма сепаратора сигналов с фазовой модуляцией 145
4.8. Алгоритм сепаратора AT сигналов 152
4.9. Сепаратор ЧТ сигналов и помех для каналов с селективными замираниями 155
4.10. Пространственный компенсатор помех с четырьмя ветвями разнесения 160
4.11. Заключение к разделу 171
5. Экспериментальное исследование эффективности пространственных сепараторов помех в каналах радиосвязи 175
5.1. Помехоустойчивость сепаратора сигналов в стационарном канале связи СДВ диапазона 175
5.2. Особенности ПВОС в нестационарном многолучевом канале связи ДКМВ диапазона 181
5.2.1. Общая характеристика результатов экспериментальных исследований эффективности компенсации помех в ДКМВ канале связи 181
5.2.2. Явление перезахватов и способы борьбы с ними 184
5.2.3. Сравнительный анализ эффективности разных алгоритмов сепараторов помех, построенных по критерию МСКО, в реальных каналах связи 191
5.3. Экспериментальные исследования качества приема информации в дискретном ДКМВ канале связи в присутствии преднамеренных помех на системе экспериментально-технологических радиотрасс 195
5.3.1. Испытания лабораторного макета (ЛМ) АКПП в канале с дискретными сообщениями и помехой с амплитудной модуляцией 196
5.3.2. Натурные испытания лабораторного макета адаптивного компенсатора преднамеренных помех на радиотрассах Ахтубинск -Н.Новгород и Ветлужская - Н.Новгород 198
5.3.3. Испытания макетов АКПП на реальных трассах с имитационной помехой в условиях радиополигона 203
5.4. Пространственно-временная обработка сигналов в МВ-ДМВ диапазоне 210
5.4.1. Компенсатор помех МВ-ДМВ диапазона и методика его испытаний в каналах радиосвязи в условиях преднамеренных помех 210
5.4.2. Результаты испытаний компенсатора помех МВ-ДМВ диапазона на трассах "земля-земля" 211
5.4.3. Измерения качества связи на радиотрассе "воздух-земля" 213
5.4.4. Выводы из испытаний компенсатора помех в МВ-ДМВ диапазоне 217
5.5. Экспериментальная база данных с различной СПО — инструмент для
тестирования алгоритмов ПВОС реальными сигналами 218
6. Конструктивные макеты адаптивных компенсаторов преднамеренных помех и результаты натурных испытаний 222
6.1. Особенности цифровой реализации пространственных компенсаторов помех 222
6.2. Описание конструктивного макета АКПП 224
6.3. Результаты лабораторных и трассовых испытаний КМ АКПП 225
6.3.1. Лабораторный стенд для тестирования автоматических компенсаторов помех с пространственной обработкой сигналов в каналах радиосвязи 226
6.3.2. Трассовые испытания КМ АКПП на радиополигоне "Ветлужский" 229
6.3.3. Повышение помехозащищенности действующей системы радио связи при использовании компенсатора помех 232
Заключение 238
Список литературы 240
- Методы защиты от радиопомех и пространственная компенсация помех
- Макет СДВ приемного устройства с прямым преобразованием сигнала (стенд И)
- Предельный коэффициент подавления помех методами пространственной обработки в ДКМВ канале радиосвязи
- Исследование эффективности алгоритмов сепарации с конечным временем усреднения в корреляторах
Введение к работе
Передача сигналов по радиоканалам с высокой надежностью является основной целью теории и техники радиосвязи, и предметом радиофизических исследований с момента возникновения радио до наших дней. Бурный рост числа средств радиосвязи в последние десятилетия, а также индустриализация экономики, привели к заполнению радиодиапазона случайными помехами техногенного происхождения. В таких условиях защита каналов приема радиосигналов от помех является необходимым условием информационного обмена с заданной надежностью. Актуальность повышения помехозащищенности средств радиосвязи многократно возрастает при учете возможности появления преднамеренных помех. Традиционные методы помехозащиты, основанные на использовании частотного или временного ресурса радиолиний [1]-[2], практически исчерпаны и в настоящее время уже не обеспечивают необходимого качества радиосвязи, особенно в условиях прицельных помех.
Мощным, но пока слабо использованным в системах радиосвязи, методом существенного повышения помехозащищенности является использование пространственного ресурса радиолиний, заключающегося в различиях волновых векторов или коэффициентов поляризации электромагнитных полей сигнальной и помеховых радиоволн. Пространственный ресурс является следствием разнесенности в пространстве радиопередатчиков полезного сигнала и помех, что выполняется практически во всех случаях.
пространство (азимут, угол места, поляризация)
время
частота
Рис.1 Пространственный ресурс радиолиний.
На рис.1 в условном виде трехмерного изображения приведены физические ресурсы радиолинии, которые используются при передаче информации: полоса частот F и интервал времени Т, в течение которого идет прием/передача сигнала. Мощная преднамеренная помеха (а иногда и случайная помеха) способна накрыть своим излучением область двумерного пространства на плоскости частота-время, занятое полезным сигналом, и исключить, тем самым, возможность приема сообщения. Однако, тот факт, что пространственные параметры радиоволн помехи и сигнала различны (разница углов прихода или коэффициентов поляризации обусловлены как различием в географии источников, так и эффектами излучения и распространения радиоволн) обеспечивает появление пространственного ресурса А, использование которого позволяет исключить воздействие помехи на прием полезного сигнала.
Для реализации этого ресурса достаточно давно применяются методы передачи радиосигналов в заданном направлении и их приема при помощи узконаправленных антенн, однако эффективность подобных подходов значительно снижается при изменении положения
в пространстве элементов системы передачи информации, при изменении условий распространения связных радиоволн, при появлении случайных и преднамеренных помех с "незапланированных направлений" и т.п. Сохранение возможностей пространственного ресурса в таких условиях обеспечивают методы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС), принимаемых на разнесенные в пространстве или по поляризации элементы антенных систем. Обработка сигналов осуществляется по специальным алгоритмам, которые адаптируются к изменяющейся сигнально-помеховой обстановке (СПО), и поэтому устройства, реализующие такую обработку колебаний, принимаемых антенными системами, носят название адаптивных антенных систем (ААС), адаптивных антенных решеток (ААР), автоматических компенсаторов помех (АКП) и т.п.
Теория пространственно-временной обработки сигналов, включающая в себя теорию адаптивных антенных систем, предназначенных для пространственной режекции помех, разрабатывается в течении последних трех десятилетий, основные принципы, критерии и алгоритмы ПВОС изложены в ряде монографий [3], [4], [5], однако классические алгоритмы компенсации помех, приведенные в указанных монографиях, а также их модификации в большинстве последующих работ, предполагают стационарность сигнально-помеховых условий, когерентность электромагнитного поля помеховой и сигнальной радиоволн на апертуре антенной системы, некоррелированность антенных колебаний сигнала и помехи, наличие каких-либо априорных сведений о различиях сигнала и помех. Эти предположения в реальной радиосвязи практически никогда не выполняются. Реальные каналы распространения связных радиоволн далеки от идеализированных моделей, параметры помех априори не известны, и это ограничивает применимость классических методов обработки сигналов. Поэтому возникла парадоксальная ситуация: теория потенциальной помехоустойчивости алгоритмов компенсации помех давно построена, необходимость борьбы с помехами - несомненна, а практического ее воплощения добиться до настоящего времени не удавалось. Для компенсации помех в каналах радиосвязи требовались высокоскоростные алгоритмы пространственной адаптации, способные очень быстро реагировать на сильную нестационарность сигнально-помеховой обстановки.
В 1995 г автором диссертации совместно с Ю.В. Шишкиным был предложен адаптивный алгоритм компенсатора помех, основанный на новом принципе сепарации (разделения) смеси антенных колебаний от нескольких источников радиоизлучения на парциальные колебания и выделения их на нескольких выходах сепаратора [6]. Эта работа положила начало исследованию путей решения крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и оборонное значение — создания пространственных компенсаторов помех для реальных каналов радиосвязи, и введения нового элемента помехозащиты в состав действующих систем связи и управления государственных объектов.
Исследованию возможностей адаптивной пространственной компенсации помех в реальных системах связи, разработке адаптивных алгоритмов пространственной сепарации сигнала и помех и принципов построения устройств, реализующих созданные алгоритмы, исследованию влияние характеристик линий радиосвязи на эффективность работы этих устройств и, в конечном счете, введению пространственного ресурса в арсенал высокоэффективных средств помехозащиты радиолиний посвящена диссертационная работа.
На защиту выносятся:
Разработка системы экспериментальных комплексов для измерений параметров и характеристик помехозащищенных связных радиоканалов СДВ-ДМВ диапазонов как инструмента для изучения эффективности применения методов адаптивной пространственно-поляризационной режекции помех в реальных условиях радиосвязи.
Результаты исследований потенциальных возможностей пространственно-временной обработки сигналов по компенсации случайных и преднамеренных помех в каналах
радиосвязи на основе анализа экспериментальных данных и теоретических изысканий.
Результаты исследований механизмов ограничения эффективности подавления помех в каналах радиосвязи методами пространственно-временной обработки сигналов.
Алгоритмы работы пространственно-поляризационных сепараторов полезного сигнала и помех для линий радиосвязи и результаты теоретических исследований их основных характеристик для различной сигнально-помёховой обстановки.
Результаты исследований эффективности использования компенсаторов помех в дискретных каналах связи СДВ, ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонах в присутствии преднамеренных помех на системе экспериментально-технологических радиотрасс.
Создание адаптивных пространственно-корреляционных сепараторов помех на разработанных новых принципах их построения и результаты их испытаний на стендах, в полигонных условиях, а также в действующей системе ДКМВ радиосвязи.
Первый раздел данной работы посвящен анализу условий, в которых должны работать современные системы связи.
В данном разделе вначале будут рассмотрены свойства каналов радиосвязи наиболее широко применяемых диапазонов частот, оказывающие наибольшее влияние на пространственно-временную обработку принимаемых сигналов (подраздел 1.1).
Далее будет приведена классификация помех в каналах радиосвязи, рассмотрены характеристики наиболее опасных преднамеренных помех и проанализированы основные методы борьбы с помехами (подраздел 1.2).
Будет показано, что эффективным средством борьбы с помехами различных типов является их пространственная компенсация, принципы которой изложены в подразделе 1.3. В этом же разделе проанализировано современное состояние дел в практике применения пространственных компенсаторов помех.
Результатом такого анализа является формулировка проблемы настоящего исследования, приведенная в заключительном подразделе первой главы.
Для решения этой проблемы необходимо было детальное изучение реальных свойств радиосигналов, прошедших через канал распространения, и определение всех дестабилизирующих факторов, ограничивающих теоретически высокие характеристики подавления помех методами ПВОС. Поэтому необходимо было создать аппаратную базу, методику экспериментальных исследований и провести измерения основных параметров радиоволн на реальных радиотрассах.
Во второй части работы дается описание установок (стендов) различных диапазонов длин волн, созданных для экспериментальных исследований свойств радиосигналов, принимаемых различными антеннами. В первом подразделе второй главы приводится описание экспериментальных установок СДВ диапазона, втором подраздел посвящен описанию созданных стендов ДКМВ диапазона, в третьем подразделе содержится описание двухка-нального приемного устройства МВ-ДМВ диапазона. При помощи этих стендов был осуществлен ряд натурных измерений характеристик радиоволн, влияющих на эффективность ПВОС.
Результаты экспериментальных исследований этих свойств радиосигналов приведены в третьей части диссертации. В этом разделе работы обсуждаются методика и результаты измерений потенциальной эффективности подавления помех в реальных каналах связи разных диапазонов пространственными (поляризационными) компенсаторами помех. На основе полученных экспериментальных данных анализируются факторы, ограничиваюпще возможности ПВОС. Основные ограничения, которые необходимо учитывать при оценке
эффективности пространственной обработки, возникают вследствие нестационарности каналов связи, наличия импульсных шумов и многолучевого характера распространения сигналов и помех.
Четвертый раздел работы посвящен теоретическому исследованию нового класса компенсаторов помех — сепараторов, обеспечивающих разделение сигнально-помеховой смеси на составные компоненты.
При этом, вначале рассматриваются общие принципы сепарации сигнала и помех, основанные на спектральном разложении смесей по собственным векторам корреляционной функции, на требовании о независимости сигнала и помех, которое можно сформулировать в виде некоторого критерия (стоимостной функции) и другие.
В подразделе 4.2 рассмотрены алгоритмы оптимальных сепараторов сигналов с угловой манипуляцией и помех различного типа, построенных по критерию минимума среднеквадратичной ошибки.
В подразделе 4.3 численными методами исследуется эффективность этих алгоритмов в асимптотическом пределе, где показана их эквивалентность.
Четвертая часть этого раздела посвящена особенностям работы алгоритмов МСКО при условиях ограниченного времени усреднения при вычислении весовых коэффициентов.
В пятом подразделе данной главы предложен и исследован новый упрощенный алгоритм сепаратора, один из выходов которого реализует критерий максимума подавления помехи, относящийся к классу субоптимальных алгоритмов.
При исследовании эффективности данных алгоритмов сепарации показано, что они обеспечивают "слепое" разделение сигнала и помех в условиях полного отсутствия априорной информации и для помех разного типа: сигналоподобных и шумоподобных, AM, ЧМ, ФМ (помех с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией). Вместе с тем, в подразделе 4.2 показано, что прерывистая помеха (импульсная помеха) способна значительно ухудшать компенсационные способности компенсатора.
Вопросу борьбы с прерывистой помехой методами пространственной компенсации посвящен подраздел 4.6, в котором предложен и исследован алгоритм оптимального сепаратора сигнала и помех с устройством борьбы с прерывистой помехой.
В седьмом подразделе диссертационной работы предложен алгоритм пространственного сепаратора ФТ сигнала (сигнала с манипуляцией типа фазовый телеграф) и помех разного типа и рассмотрены особенности его работы.
В следующих подразделах данной главы рассмотрен алгоритм сепаратора для сигнала с манипуляцией типа амплитудный телеграф (AT) (п.4.8), принцип построения которого использован и для сепаратора ЧТ сигнала (частотный телеграф) и помех в канале с селективными замираниями (п.4.9).
Наконец, в п.4.10 исследован асимптотический алгоритм 4-х канального сепаратора и произведено сравнение с предельными характеристиками оптимального алгоритма.
В пятой главе диссертации приведены результаты экспериментальных иссследований разработанных алгоритмов в реальных каналах радиосвязи СДВ (п.5.1), ДКМВ (п.5.2, п.5.3) и МВ-ДМВ (п.5.4) диапазонов. Эксперименты осуществлялись на лабораторных макетах компенсаторов помех в условиях радиополигона с привлечением системы экспериментально-технологических радиотрасс и показали принципиальную возможность и достаточно высокую эффективность ПВОС по компенсации преднамеренных и случайных помех разного типа, в различных диапазонах, на большом наборе радиотрасс и пр.
Положительные результаты, полученные в диссертационной работе, позволили построить конструктивные макеты компенсаторов помех ДКМВ и СДВ диапазонов и осуществить экспериментальное исследование их эффективности путем лабораторных и трассовых испытаний. Описанию этих устройств и результатам испытаний посвящен шестой раздел работы. В ходе сравнительных испытаний с привлечением большого набора данных экспе-
риментально доказано, что введение компенсатора помех в действующую систему связи повыщает ее помехозащищенность на 20-26 дБ, что обеспечивает возможность приема сообщений в условиях значительного энергетического превышения преднамеренной помехи над полезным сигналом.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Диссертация выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Научно-производственное предприятие "Полет". Основное ее содержание опубликовано в работах [б]-[38] и докладывалось на Межведомственном научном семинаре "Распространение радиоволн и проблемы радиосвязи ДКМВ диапазона" (Н.Новгород, 1991 г), на научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (г. Воронеж, 1996 г.), на Международных научно-технических конференциях 'Радиолокация, навигация и связь" в г.Воронеже (IV, 1998 г.; VI, 2000 г.; VII, 2001 г.; VIII, 2002 г.; IX, 2003 г.), на II Международной научно-практической конференции "Системы и средства передачи и обработки информации" (Одесса, Украина, 1998г.), на X научно-технической конференции "Проблемы радиосвязи" (Н.Новгород, 1999 г.), на Международной специализированной выставке-конференции военных и двойных технологий "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления" (Н.Новгород, 2002 г.).
Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены под руководством автора в больших авторских коллективах. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, подготовку аппаратуры и непосредственное проведение эксперимента, анализ и обсуждение полученных данных, подготовку публикаций.
Автор считает своим приятным долгом поблагодарить всех своих соавторов за плодотворное сотрудничество и, в особенности, Ю. В. Шишкина, В. П. Волкова и Е. Н. Волкову
за многочисленные обсуждения различных аспектов проблемы, [ П. П. Беляева |, В. А. Валова, Д. В. Кабаева, В. Е. Кочеганова, А. В. Куликова, А. А. Лисова, Н. А. Чащину, Е. Р. Штейна за помощь в разработке аппаратуры и проведении экспериментальных исследований.
Автор благодарен Генеральному директору ФГУП "НПП "Полет" Е. Л. Белоусову за постоянное внимание к тематике работы и оказанной поддержке, без которых проведение объемных и трудоемких экспериментальных работ было бы невозможно.
Методы защиты от радиопомех и пространственная компенсация помех
Для реализации этого ресурса достаточно давно применяются методы передачи радиосигналов в заданном направлении и их приема при помощи узконаправленных антенн, однако эффективность подобных подходов значительно снижается при изменении положения в пространстве элементов системы передачи информации, при изменении условий распространения связных радиоволн, при появлении случайных и преднамеренных помех с "незапланированных направлений" и т.п. Сохранение возможностей пространственного ресурса в таких условиях обеспечивают методы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС), принимаемых на разнесенные в пространстве или по поляризации элементы антенных систем. Обработка сигналов осуществляется по специальным алгоритмам, которые адаптируются к изменяющейся сигнально-помеховой обстановке (СПО), и поэтому устройства, реализующие такую обработку колебаний, принимаемых антенными системами, носят название адаптивных антенных систем (ААС), адаптивных антенных решеток (ААР), автоматических компенсаторов помех (АКП) и т.п.
Теория пространственно-временной обработки сигналов, включающая в себя теорию адаптивных антенных систем, предназначенных для пространственной режекции помех, разрабатывается в течении последних трех десятилетий, основные принципы, критерии и алгоритмы ПВОС изложены в ряде монографий [3], [4], [5], однако классические алгоритмы компенсации помех, приведенные в указанных монографиях, а также их модификации в большинстве последующих работ, предполагают стационарность сигнально-помеховых условий, когерентность электромагнитного поля помеховой и сигнальной радиоволн на апертуре антенной системы, некоррелированность антенных колебаний сигнала и помехи, наличие каких-либо априорных сведений о различиях сигнала и помех. Эти предположения в реальной радиосвязи практически никогда не выполняются. Реальные каналы распространения связных радиоволн далеки от идеализированных моделей, параметры помех априори не известны, и это ограничивает применимость классических методов обработки сигналов. Поэтому возникла парадоксальная ситуация: теория потенциальной помехоустойчивости алгоритмов компенсации помех давно построена, необходимость борьбы с помехами - несомненна, а практического ее воплощения добиться до настоящего времени не удавалось. Для компенсации помех в каналах радиосвязи требовались высокоскоростные алгоритмы пространственной адаптации, способные очень быстро реагировать на сильную нестационарность сигнально-помеховой обстановки.
В 1995 г автором диссертации совместно с Ю.В. Шишкиным был предложен адаптивный алгоритм компенсатора помех, основанный на новом принципе сепарации (разделения) смеси антенных колебаний от нескольких источников радиоизлучения на парциальные колебания и выделения их на нескольких выходах сепаратора [6]. Эта работа положила начало исследованию путей решения крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и оборонное значение — создания пространственных компенсаторов помех для реальных каналов радиосвязи, и введения нового элемента помехозащиты в состав действующих систем связи и управления государственных объектов.
Исследованию возможностей адаптивной пространственной компенсации помех в реальных системах связи, разработке адаптивных алгоритмов пространственной сепарации сигнала и помех и принципов построения устройств, реализующих созданные алгоритмы, исследованию влияние характеристик линий радиосвязи на эффективность работы этих устройств и, в конечном счете, введению пространственного ресурса в арсенал высокоэффективных средств помехозащиты радиолиний посвящена диссертационная работа.
На защиту выносятся:
Разработка системы экспериментальных комплексов для измерений параметров и характеристик помехозащищенных связных радиоканалов СДВ-ДМВ диапазонов как инструмента для изучения эффективности применения методов адаптивной пространственно-поляризационной режекции помех в реальных условиях радиосвязи. Результаты исследований потенциальных возможностей пространственно-временной обработки сигналов по компенсации случайных и преднамеренных помех в каналах радиосвязи на основе анализа экспериментальных данных и теоретических изысканий. Результаты исследований механизмов ограничения эффективности подавления помех в каналах радиосвязи методами пространственно-временной обработки сигналов. Алгоритмы работы пространственно-поляризационных сепараторов полезного сигнала и помех для линий радиосвязи и результаты теоретических исследований их основных характеристик для различной сигнально-помёховой обстановки. Результаты исследований эффективности использования компенсаторов помех в дискретных каналах связи СДВ, ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонах в присутствии преднамеренных помех на системе экспериментально-технологических радиотрасс. Создание адаптивных пространственно-корреляционных сепараторов помех на разработанных новых принципах их построения и результаты их испытаний на стендах, в полигонных условиях, а также в действующей системе ДКМВ радиосвязи. Первый раздел данной работы посвящен анализу условий, в которых должны работать современные системы связи. В данном разделе вначале будут рассмотрены свойства каналов радиосвязи наиболее широко применяемых диапазонов частот, оказывающие наибольшее влияние на пространственно-временную обработку принимаемых сигналов (подраздел 1.1). Далее будет приведена классификация помех в каналах радиосвязи, рассмотрены характеристики наиболее опасных преднамеренных помех и проанализированы основные методы борьбы с помехами (подраздел 1.2). Будет показано, что эффективным средством борьбы с помехами различных типов является их пространственная компенсация, принципы которой изложены в подразделе 1.3. В этом же разделе проанализировано современное состояние дел в практике применения пространственных компенсаторов помех. Результатом такого анализа является формулировка проблемы настоящего исследования, приведенная в заключительном подразделе первой главы. Для решения этой проблемы необходимо было детальное изучение реальных свойств радиосигналов, прошедших через канал распространения, и определение всех дестабилизирующих факторов, ограничивающих теоретически высокие характеристики подавления помех методами ПВОС. Поэтому необходимо было создать аппаратную базу, методику экспериментальных исследований и провести измерения основных параметров радиоволн на реальных радиотрассах.
Макет СДВ приемного устройства с прямым преобразованием сигнала (стенд И)
Главные особенности распространения радиоволн в ДКМВ диапазоне: замирания сигналов, наличие зон молчания и эха, влияние 11-летнего периода солнечной активности, геомагнитных возмущений и полярных поглощений.
На распространение радиоволн ДКМВ диапазона существенное влияние оказывает маг-нитоактивность ионосферной плазмы, приводящая к расщеплению радиоволны на обыкновенную и необыкновенную электромагнитные волны, имеющие различные показатели преломления [45]. Двойное лучепреломление приводит к дополнительным особенностям распространения радиоволн: поляризационному феддингу [46], дополнительной многолу-чевости, повороту плоскости поляризации радиоволны и др.
В отличии от СДВ диапазона, для коротких волн наиболее удобной оказывается лучевая трактовка распространения энергии радиоволны. При этом, как правило, поле радиоволны в точке приема представляет из себя сумму полей небольшого количества лучей ( 4 -f- 5).
Для обеспечения устойчивой радиосвязи необходимо знать предельно высокую частоту волны, которая, отражаясь от ионосферы, обеспечит работу радиолинии с наибольшей надежностью. Такая частота называется максимально применимой частотой (МПЧ). Поскольку слой F2, от которого, в основном, отражаются радиоволны, наиболее часто подвержен ионосферным возмущениям, при сеансе радиосвязи возможны изменения значений МПЧ, и может потребоваться переход на другие рабочие частоты. При расчете ДКМВ линий связи важно прежде всего выбрать наивыгоднейшие для связи частоты. Это осуществляется в два этапа: определение суточного хода МПЧ и суточного хода наименьших применяемых частот (НПЧ). Существует несколько методов расчета МПЧ. Наиболее простым и удобным из них является использование долгосрочных прогнозов ИЗМИРАН, в основу которых положена методика расчета по А.Н.Казанцеву. Методика расчета МПЧ включает в себя определение параметров трассы (длины трассы, количества скачков, координаты точки отражения от ионосферы и т.д.), для чего используют карту мира. Оптимальные рабочие частоты (ОРЧ) составляют в общем случае 0,7 - 0,8 от МПЧ и являются верхним пределом рабочего диапазона. Следует также иметь в виду, что наилучшее качество связи получается с вариантом минимального числа скачков.
При распространении ДКМВ за пределами земной волны возникают зоны молчания. Зоной молчания ("мертвой зоной") называют образующуюся вокруг работающего передатчика кольцевую область, в которой отсутствует прием сигналов. Зона возникает из-за того, что лучи, угол возвышения которых превышает критический угол возвышения, пронизывают атмосферу и от нее не отражаются, а лучи, которые отражаются от ионосферы, попадают на Землю на значительном удалении от передатчика. Величина этого удаления и определяет зону молчания. Учет зоны молчания необходим как при определении надежности связи в условиях непреднамеренных помех, так и при определении зоны молчания стационарного источника преднамеренной помехи.
11-летние периоды повышения солнечной активности улучшают условия распространения ДКМВ, поскольку в эти периоды возрастает электронная концентрация ионизированных областей, особенно области F2, благодаря чему увеличиваются МПЧ, а поглощение в слоях Е и D уменьшается. Условия распространения ДКМВ ухудшаются при различных геомагнитных возмущениях. Под влиянием магнитных возмущений резко уменьшается концентрация слоя F2, который приобретает многослойную конфигурацию, поглощение радиоволн резко возрастает и МПЧ уменьшается. В ряде подобных случаев в высоких широтах область F2 теряет способность отражать KB и связь нарушается (от нескольких часов до 2-х суток).
В полярных широтах необходимо учитывать влияние на распространение ДКМВ поглощений местного характера. Так, в зоне полярных сияний происходит сильное поглощение радиоволн в течение 2-3 часов, часто повторяющееся несколько суток. В круговой полярной области с центром в геомагнитных полюсах радиоволны поглощаются на несколько десятков часов (в среднем 3-4 суток, а иногда и до 15 суток) [47].
Как уже выше было отмечено, одной из основных особенностей ДКМВ канала являются замирания сигнала. Под замирающим сигналом подразумевают сигнал с флуктуирующими параметрами, которые вызываются случайным изменением коэффициента передачи радиоканала.
В радиоканале составляющие сигнала распространяются по нескольким путям. В пункте приема обнаруживаются лучи, которые распространяются путем многократного или однократного отражения от ионосферных слоев. Каждый из таких лучей (скачков) может носить диффузный характер и представлять из себя набор подлучей, обусловленный своим возникновением неоднородной структурой отражающей области — неоднородностями электронной концентрации ионосферной плазмы.
Кроме естественной неоднородности ионосферной плазмы, при воздействии на нее мощным ДКМВ радиоизлучением в ионосфере Земли возбуждаются различные неустойчивости, приводящие к возникновению искусственной возмущенной области параметров фоновой плазмы.
Влияние возмущенной области ионосферы на характеристики каналов распространения радиоволн различных диапазонов исследовалось автором диссертации в многочисленных экспериментах по нагреву ионосферы мощными KB стендами [48] - [72]. В этих работах показано, что при воздействии на ионосферу Земли вертикальным пучком радиоволн на частотах, ниже критической частоты F-области ионосферы, на высотах 160-400 км возникают искусственные неоднородности электронной концентрации плазмы, вызывающие рассеяние или преломление падающих на них радиоволн, в том числе и связных радиосигналов. Эти эффекты приводят к появлению искусственной многолучевости, которая в ряде случаев ухудшает качество приема сигналов, а в других случаях — обеспечивает появление необходимых каналов связи.
Вследствие многолучевого распространения и разностей хода подлучей при прохождении сигнала от передатчика к приемнику сигнал в приемной антенне представляет сумму отдельных колебаний с различными фазами и амплитудами. Каждому колебанию соответствует свое время распространения и свой коэффициент передачи, что и обусловливает флуктуации как амплитуд, так и фаз составляющих сигнала. В реальных каналах время распространения каждого подлуча и его коэффициент передачи меняются настолько медленно, что на протяжении длительности одного элементарного сигнала их можно считать неизменными. Такие замирания называют медленными (гладкими по времени).
Предельный коэффициент подавления помех методами пространственной обработки в ДКМВ канале радиосвязи
Радиоэлектронное противо-противодействие (РЭПП, ЕССМ). Часть РЭБ, включающая в себя действия по сохранению эффективности использования электромагнитного спектра. Состоит из противодействия радиоразведке — Анти-РЭР (Anti-ESM) — путем контроля собственных излучений и уклонения от обнаружения, и противодействия РЭП — Анти-РЭП (Anti-ECM). Анти-РЭП обеспечивается проведением организационных мероприятий (соответствующее развертывание собственных систем радиосвязи, управление радиочастотами и тренировка радиооператоров) и технических мероприятий, осуществляемых при проектировании радиосистем.
Последнее включает в себя построение специальных устройств, обеспечивающих возможность выполнения функций радиосистем в условиях РЭП. Средства радиоэлектронного противодействия Средства РЭП потенциальных противников достаточно разнообразны и высокоэффективны. Они включают в себя стационарные и мобильные постановщики преднамеренных помех, оснащенные анализаторами радиообстановки, способными за короткое время оценить ситуацию - определить несущие радиочастоты, типы используемых сигналов, осуществить пеленгацию их источников, и сформировать помеховый сигнал, наиболее эффективно подавляющий "нежелательные" радиолинии. Характеристики средств РЭП можно найти в журналах "Jane s", "Военное обозрение" и др. Рассмотрим характеристики нескольких комплектов аппаратуры связи и радиоэлектронного подавления, являющихся, по видимому, типичными для постановщиков помех наземного и мобильного базирования. 1. Мобильный комплекс связи и РЭП AN/TLQ-15 (США) может быть установлен на наземных транспортных средствах и на морских судах. Возможно стационарное и полустационарное наземное базирование комплекса, а также его установка на борту самолета при использовании буксируемых проволочных антенн. Центральной частью системы AN/TLQ-15 является ДКМВ приемопередатчик, работающий в диапазоне 1.5-20 МГц. Кроме основной антенны (32-х метровая телескопическая штыревая антенна) возможно использование вспомогательной антенны. Передатчик может работать в нескольких режимах модуляции - AT, AM, ЧМ, что обеспечивает подавление различных видов сигналов. Фазированная антенная решетка двух систем AN/TLQ-15 может быть использована для излучения 8 кВт мощности в любом нужном направлении. Аппаратура AN/TLQ-15 находится на вооружении войск США и других стран. 2. Аппаратура РЭП AN/TLQ-17A (США) предназначена для работы в ДКМВ/MB диапазонах. Модульная конструкция аппаратуры позволяет устанавливать ее на наземных подвижных средствах (джип, грузовой автомобиль), на вертолетах, а также в укрытиях. Аппаратурой AN/TLQ-17A оснащены вертолеты EH-IH Quick-Fix 1 и самолеты ЕН-60А Quick-Fix 11. Мобильный вариант комплекса РЭП, установленный на джипе, известен под названием "Traffic Jam". Диапазон частот комплекса 1.5-80 МГц, эффективная мощность излучения 550 Вт, время настройки приемника 1 сек. 3. Система Hawk (США) предназначена для активного радиоэлектронного подавления средств радиосвязи в диапазоне несущих частот 20-80 МГц и предназначена для установки на борту вертолетов. Выходная мощность станции на штыревой антенне - 100 Вт, на хвостовой антенне - 250 Вт. 4. Система постановки радиопомех GSY 1500 (Grinker System Technologies, ЮАР) — это система подавления радиосвязи в диапазоне ДКМВ-ДМВ (20 - 500 МГц) для ВВС, ВМФ и сухопутных войск. Имеет выходную мощность до 1 кВт, способна излучать различные виды помех: гауссо-вый шум в полосе 0.75 кГц — 3.3 кГц, мерцающие тоны, смешанные голоса, ЧМ сигналы. Полосы подавления AM сигналов — до 6.5 кГц, ЧМ сигналов — 3.5 -=- 75 кГц. Время срабатывания — 10 мс. GSY 1501 имеет расширенный диапазон 1.5 — 1000 МГц, высокую скорость сканирования (до 16 ГГц/с в ДМВ диапазоне) и обеспечивает возможность одновременного подавления 3-х целей. 5. Станции помех JAMINT-4 (ДКМВ), DFINT-3, JAMINT-3 (MB-ДМВ) - производства фирмы ASELSAN, Турция — тактические системы связи, пеленгации, разведки и подавления. Скорость сканирования (500 МГц/с) позволяет перехватывать и обнаруживать цели, работающие в режиме ППРЧ (псевдослучайной перестройки рабочей частоты — см. ниже). 6. Одной из последних разработок фирмы Rockwell Collins (США), специализирующейся на разработке и производстве радиоэлектронных средств связи, навигации, опознавания и пр. для военной и гражданской авиации, является интегрированная аппаратура радиоразведки, радиоэлектронного подавления средств связи и радиосвязи AN/USQ-146. Этот комплекс предназначен для установки на мобильные наземные средства, летательные аппараты и морские суда и обеспечивает выполнение всех перечисленных функций в диапазоне 2-2500 МГц (с возможностью расширения диапазона до 8.4 ГГц). AN/USQ-146 ( Рубикон") имеет два канала приема/передачи, что обеспечивает возможность одновременной работы в режиме поиска и подавления излучателей. "Рубикон" способен устанавливать следящую помеху системам связи с режимом ППРЧ, время реакции (обнаружения и подавления) составляет менее 0.5 мс, скорость сканирования 12 ГГц/с, мощность передатчиков варьируется от 400 Вт в ДКМВ диапазоне до 50 Вт в ДМВ диапазоне. Система управляется от персонального компьютера (типа ноутбук), имеет графический интерфейс пользователя, обеспечивающий простоту обучения, работы и контроля за всеми функциями [90].
Эффективность применения средств РЭП показали события в Югославии 1999 г. Перед началом активных действий войска НАТО при помощи самолетов-разведчиков установили линии радиосвязи сербской армии. Для подавления этих радиолиний связи и управления были использованы три самолета ЕС-130Н Compass Call (Compass Call - это система управления, контроля и противодействия связи СЗСМ для ЕС-130Н) из 43-й эскадрилий РЭП, место постоянного базирования которой Davis-Mouthan AFB, Аризона. Средняя продолжительность миссии составляла 10-18 часов с 2-мя дозаправками в воздухе. Экипаж составлял 13 человек. На борту присутствовало 4 переводчика, идентифицирующие радиолинии, предназначенные для подавления, и 2 радиооператора, ведущие перехват излучений. Целевая информация поступала затем к старшему контролеру, докладывающему ее офицеру РЭП (EWO). Compass Call осуществлял частый обмен информацией с самолетами радиоразведки (в частности, с RC-135 River Joint) и с помехопостановщиками ЕА-6В Prowlers. Постановщики помех ЕС-130Е Commando Solo обеспечивали подавление телевизионных и радиовещательных сигналов. В качестве аппаратуры радиоразведки и РЭП на борту ЕС-130Н Compass Call и ЕА-6В Prowlers применялись комплексы AN/USQ-146 [91].
Как отмечается в [92] массированное применение постановщиков помех, предварившее начало боевых действий, сыграло немалую роль в разрушении систем управления сербской армией и взаимодействии ее составных частей, а также систем управления гражданской обороной, которая должна была обеспечить эвакуацию и спасение мирного населения.
Этот трагический пример показывает, что защита радиоканалов от преднамеренных помех является жизненно необходимой и обязательной для сохранения связи и управления в условиях РЭБ.
Исследование эффективности алгоритмов сепарации с конечным временем усреднения в корреляторах
При использовании ПВОС большой выигрыш по помехозащищенности достигается уже при использовании малоэлементных ААС (2—3 антенны), что открывает широкие возможности применения ААС на подвижных объектах связи. Компенсатор помех для разных диапазонов длин волн представляет из себя цифровое устройство, в котором происходит вычисление весовых коэффициентов по некоторому алгоритму и адаптивное суммирование антенных колебаний.
По способу реализации компенсаторы помех можно разделить на два класса, в одном из которых компенсация помех осуществляется на радиочастоте (на адаптивный сумматор поступают непосредственно антенные колебания), в другом адаптивный сумматор включен в тракт промежуточной частоты (ПЧ) приемников. Компенсаторы каждого из этих двух классов обладают своими достоинствами и недостатками: преимущество первого варианта заключается в возможности его реализации в виде независимой приставки на входе радиостанции, в то время как для второго варианта необходимы два тракта приема с преобразованием к ПЧ, что в случае использования серийной приемной аппаратуры увеличивает массо-габариты помехозащищенного приемника.
С другой стороны, в варианте построения компенсатора на высокой частоте, во-первых, неизбежны потери чувствительности приемников за счет появления дополнительных шумящих радиоэлементов между антенной и входом приемника (устранение этих потерь сведет на нет массо-габаритный выигрыш), а во-вторых, он по прежнему требует построения необходимого числа главных трактов супергетеродинного приема внутри приставки для обеспечения необходимой селективности по частоте.
Информация о пространственных компенсаторов помех для систем связи достаточно ограничена. Более двух десятков лет назад США приняли Программу ВВС по повышению помехозащищенности средств связи (Программа 616А)[103], которая включала в себя создание компенсаторов помех для комплексов связи, потенциальная эффективность которых предполагалась "колоссальной". Сведений о степени завершенности программы по данному вопросу нет.
Известны двухканальные компенсаторы помех фирм Plessy (PV-2413A), Rohde & Schwarz (GS-900) для MB диапазона, представляющие из себя приставки к радиостанциям. Данные компенсаторы реализуют алгоритм минимизации выходной мощности (МВМ), или квадратурного автокомпенсатора (АК) и предназначены для борьбы с мощной помехой, намного превышающей уровень полезного сигнала. Отсюда вытекают ограничения на их применение в каналах связи с флуктуирующими коэффициентами передачи, где уровни сигнала иногда превышают уровень помех.
Для систем связи SINCGARS США разработаны компенсаторы помех MB диапазона (30-80 МГц) SNAP-1, SNAP-2 (Steerable Nulling Adaptive Processing), которые обеспечивают защиту от преднамеренных помех и входят в комплекс ЕССМ [89]. Характеристики этих устройств в открытой литературе отстутствуют, но можно предположить, что они подобны вышеупомянутым PV-2413A и GS-900. Имеются сведения о разработке компенсаторов помех ADARS для загоризонтных радиолиний ДКМВ и СДВ диапазонов воздушных радиоретрансляторов ТАСАМО (Е-6А) [104] для ВМФ США. В данных устройствах применен ряд алгоритмов, использующих различные признаки-различия полезного и помехового сигналов. Проведенные летные испытания созданных устройств показали их высокую эффективность в компенсации атмосферных и станционных помех. В перечне радиосвязного оборудования, производимого фирмой Rockwell Collins появился терминал для радиолиний СДВ-ДВ диапазона, установленный на борту воздушных пунктов управления США (Е-4В) и воздушных радиоретрансляторов ТАСАМО (Е-6А), в котором применена трехканальная адаптивная пространственно-поляризационная обработка сигналов, обеспечивающая защиту от преднамеренных помех [105]. Наконец, в сети "Интернет" можно найти информацию о разработке канадской фирмой DREO адаптивной антенной системы HFAARS морского базирования для ДКМВ радиолиний [106], использующей многоэлементную антенную решетку из вертикальных вибраторов и диаграммообразующую схему (процессор обработки) на основе микропроцессоров фирмы Texas Instruments TMS320C40. Даже этот ограниченный набор сведений о пространственных компенсаторах помех в системах радиосвязи иностранных армий дает возможность оценить внимание конкурентов к указанной проблеме и степень важности данного метода борьбы с помехами, а также представить достигнутый уровень разработок за рубежом и наше отставание в этой области. Проведенный выше анализ позволяет сделать следующие выводы: 1) Помеховые условия в каналах радиосвязи обусловливают необходимость применения методов борьбы с ними в каналообразующей аппаратуре. 2) Традиционные методы борьбы с помехами, основанные на использовании частотно-временного ресурса систем связи, не обеспечивают защиты приемной аппаратуры от случайных и преднамеренных помех, спектр частот которых совпадает со спектром полезного сигнала. 3) Использование пространственного ресурса радиолиний становится неизбежным, обеспечивает дополнительную помехозащищенность систем связи, а в ряде случаев является безальтернативным методом борьбы с внешними помехами. 4) Теория пространственно-временной обработки сигналов последние десятилетия развивается достаточно бурным темпом. В настоящее время хорошо исследованы алгоритмы ПВОС, реализующие несколько критериев качества и обеспечивающие высокую степень подавления помех только в стационарных условиях сигнально-помеховой обстановки (СПО) и в условиях априорно известных различий сигнала и помехи (мощности, спектра, времени, углов прихода, вида манипуляции и др.) 5) Реальные каналы радиосвязи по своей природе крайне редко являются стационарными однолучевыми каналами, что резко усложняет сигнально-помеховую обстановку, в которой приходится работать компенсатору помех. 6) Источники преднамеренных помех непрерывно совершенствуются и в настоящее время осуществляют быстрый радиоперехват, анализ сигнала и постановку помех, наиболее эффективно подавляющих радиоприем, включая возможность применения и сигналоподоб-ных (имитационных, ретрансляционных) помех. Это не позволяет применять алгоритмы, основывающиеся на предположении о каких бы то ни было априорно известных различиях между сигналом и помехой. Таким образом, основными задачами настоящей работы являлось: 1) Детальное исследование свойств реальных каналов связи с точки зрения существенного повышения эффективности пространственно-временной обработки связных радиосигналов. Для этого потребовалось разработать методику исследований, создать измерительно-регистрирующие комплексы в нескольких диапазонах частот, провести многочисленные эксперименты для получения репрезентабельного набора данных о характеристиках электромагнитного поля радиоволн, и выделить основные дестабилизирующие факторы, определяющие эффективность ПВОС. пространственного ресурса в арсенал средств борьбы с помехами реальных систем радиосвязи различных диапазонов длин волн.
