CC BY
78ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА INTEGRATED RADIOELECTRONIC DEVICES
Научная статья
УДК 621.396.2:621.391.8
doi:10.24151/1561-5405-2022-27-3-382-406
Методический подход к радиоконтролю сигналов
спутниковой связи с оценкой требуемых энергетических характеристик приемных станций
12 1 Д. Г. Пантенков , H. В. Гусаков , А. А. Ломакин
1 АО «Кронштадт», г. Москва, Россия 2АО «Научно-исследовательский институт современных телекоммуникационных технологий», г. Смоленск, Россия
pantenkov88@mail.ru
Аннотация. Современные зарубежные космические аппараты (КА) оптико-электронного наблюдения (WorldView, QuickBird, GeoEye, KeyHole Pleiades, Spot, Eros, Cartosat), радиолокационного наблюдения (RadarSat, SAR-Lupe, Lacrosse, ERS, Terrasar, Envisat, IGS), радио- и радиотехнической разведки (TacSat, Jumpseat, Orion, Vortex, Mentor, Magnum, Mercury, Intruder) имеют наилучшее разрешение на местности. Факт работы по основному целевому назначению КА радиолокационного наблюдения можно установить по излучению радиолокационного сигнала при зондировании земной поверхности. Напротив, работу, например, фотоаппаратов, входящих в состав целевых нагрузок КА оптико-электронного наблюдения, в оптическом диапазоне установить напрямую практически невозможно. Поэтому информацию о функционировании оптических КА можно получать по косвенным признакам: сбросу накопленной в бортовых регистраторах информации на удаленные земные станции приема и обработке информации как напрямую, так и с использованием КА на высоких орбитах (геостационарной и высокоэллиптической). Учитывая взаимное геометрическое расположение земной станции радиоконтроля излучаемых сигналов, низкоорбитального КА дистанционного зондирования Земли и космического аппарата-ретранслятора на высоких орбитах, принимать и обрабатывать информацию, скорее всего, придется по боковым или задним лепесткам диаграммы направленности. Это усложнит обнаружение данных сигналов в силу их низкой энергетики. В работе разработан методический подход, проведены практические расчеты, а также математическое моделирование по определению возможности приема информации, передаваемой между КА оптико-электронного наблюдения на низкой орбите и космическим аппаратом-ретранслятором на геостационарной орбите. Разработана модель дуэльной ситуации обнаружения факта излучения радиосигналов КА дистанционного зондирования Земли по линии
© Д. Г. Пантенков, Н. В. Гусаков, А. А. Ломакин, 2022
космос - космос наземными средствами радиоконтроля. Проведена оценка эффективности мер обеспечения пространственной и сигнальной защищенности спутниковой связи. Рассмотрены подходы к обнаружению радиосигналов методами накопления, в частности спектральный анализ, восстановление несущей, метод автокорреляционной обработки сигналов, а также вопросы оценки энергетических характеристик аппаратуры ретрансляции радиосигналов КА дистанционного зондирования Земли и определения эквивалентной изотропно-излучаемой мощности боковых лепестков диаграммы направленности полезного радиосигнала. Рассчитаны добротность и геометрические размеры антенных систем средств радиоконтроля. Приведены результаты моделирования процессов обнаружения радиосигналов методом восстановления несущей с последующей фильтрацией. Полученные данные могут свидетельствовать о факте работы зарубежных средств радиомониторинга по сбору данных с подстилающей поверхности на территории Российской Федерации.
Ключевые слова: обнаружение радиосигнала, обработка радиосигнала, радиомониторинг, радиоконтроль, космический аппарат, оптико-электронная система, дистанционное зондирование Земли, моделирование, спектр радиосигнала, зона радиовидимости, добротность, диаграмма направленности, боковые лепестки
Для цитирования: Пантенков Д. Г., Гусаков Н. В., Ломакин А. А. Методический подход к радиоконтролю сигналов спутниковой связи с оценкой требуемых энергетических характеристик приемных станций // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 3. С. 382-406. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-382-406
Original article
Methodological approach to conducting radio monitoring
of satellite communication signals with an evaluation of the required energy characteristics of receiving stations
1 2 * 1 D. G. Pantenkov , N. V. Gusakov , A. A. Lomakin
1 "Kronshtadt" JSC, Moscow, Russia
2 a
"Scientific Research Institute of Modern Telecommunication Technologies" JSC, Smolensk, Russia
pantenkov88@mail.ru
Abstract. The most modern foreign optoelectronic surveillance spacecrafts (WorldView, QuickBird, GeoEye, KeyHole, Pleiades, Spot, Eros, Cartosat), radar surveillance spacecrafts (RadarSat, SAR-Lupe, Lacrosse, ERS, Terrasar, Envisat, IGS), and radio- and radio engineering reconnaissance spacecrafts (TacSat, Jumpseat, Orion, Vortex, Mentor, Magnum, Mercury, Intruder) have the best resolution on the ground. The fact of work on the main purpose of radar surveillance spacecraft is obvious due to the radiation of the radar signal when probing the Earth surface and can be easily established. Contrarily, the fact of work, for example, of cameras from the target loads of optoelectronic surveillance spacecraft in the optical range is almost impossible to establish directly. Therefore it is necessary to resort to understanding the functioning of optical spacecraft by indirect signs - the fact of dumping the information accumulated in the onboard recorders to remote
Earth stations for receiving and processing information both directly and using spacecraft in high orbits (geostationary orbit and highly elliptical orbit). Considering the mutual geometric location of the Earth's radio monitoring station of radiated signals, a low-orbit Earth remote sensing spacecraft and a repeater spacecraft in high orbits, it is likely to have to receive and process information along the side or rear lobes of the radiation pattern, which imposes additional difficulties on detecting these signals due to their low energy. In this work, methodological approach is developed, practical calculations are carried out, and mathematical modeling is conducted to determine the possibility of receiving information transmitted between an optoelectronic surveillance spacecraft in low orbit and a repeater spacecraft on the geostationary orbit. A model has been developed of the dueling situation of detecting the fact of radiation of remote sensing spacecraft radio signals via the cosmos - cosmos line by ground-based means. The effectiveness of measures to ensure spatial and signal security of satellite communications was evaluated. The approaches to detecting radio signals by accumulation methods, particularly spectral analysis, carrier recovery, autocorrelation signal processing method, were considered, along with the issues of evaluation of the energy characteristics of remote sensing radio relay equipment and determination of the equivalent isotropically radiated power of the side lobes of the radiation pattern of a useful radio signal. The Q-factor and geometric dimensions of antenna systems of radio control facilities were calculated. The results of modeling of radio signal detection processes by carrier recovery with subsequent filtering are provided. The findings might indicate the fact that the means of a foreign equipment are working to collect data from the underlying surface on the territory of the Russian Federation.
Keywords, radio signal detection, radio signal processing, radio monitoring, radio control, spacecraft, optoelectronic system, Earth remote sensing, modeling, radio signal spectrum, radio visibility zone, Q-factor, directional pattern, side lobes
For citation . Pantenkov D. G., Gusakov N. V., Lomakin A. A. Methodological approach to conducting radio monitoring of satellite communication signals with an evaluation of the required energy characteristics of receiving stations. Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 382-406. doi. https,//doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-382-406
Введение. В настоящее время чрезвычайно актуально слаженное взаимодействие наземного, воздушного и космического эшелонов обороны. При этом «горячим действиям» практически всегда предшествует тщательный планомерный сбор информации об объектах, средствах, технических возможностях и основных характеристиках зарубежных изделий радиомониторинга [1-31]. С учетом современного уровня научно-технического и технологического развития ведущих мировых держав для решения задачи радиомониторинга используются космические аппараты (КА) на низких орбитах, которые, с одной стороны, имеют относительно широкий захват местности при съемке, а с другой - данные орбиты позволяют получать изображения с высокими разрешающими способностями.
В работе [1] проанализированы существующие орбитальные группировки КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), представлены их основные технические характеристики, большое внимание уделено каналам сброса и ретрансляции информации с их целевых нагрузок (датчиков) как напрямую на земную станцию (ЗС) управления и приема целевой информации, так и с использованием КА-ретрансляторов на высоких орбитах.
В настоящей работе рассматриваются принципиальная возможность радиоконтроля передачи информации с КА ДЗЗ на низких орбитах в момент ее ретрансляции через КА на геостационарной орбите на удаленную ЗС, а также вопросы разработки методического обеспечения и проведения имитационного моделирования с последующим анализом полученных результатов. Анализ «тонкой структуры» и «семантики» разведывательной информации выходит за рамки настоящей статьи и поэтому является предметом дальнейших исследований.
В силу того, что при зондировании местности КА радиолокационного наблюдения излучает радиолокационный сигнал, который не является априори скрытным, задача обнаружения работы КА радиолокационного наблюдения по сбору данных о местности неактуальна. Совершенно другая ситуация в случае с КА оптико-электронного наблюдения: получение данных целевой нагрузкой происходит в оптическом диапазоне длин волн, который незаметен для средств радиоконтроля, при этом факт работы данного КА может быть установлен лишь по косвенным признакам, например в момент сброса информации на КА-ретрансляторы на геостационарной или высокоэллиптической орбитах, как правило, по боковым лепесткам диаграммы направленности (ДН) КА оптико-электронного наблюдения [1, 14].
Прием и обработка информации в системах радиоконтроля спутниковой связи. Модель функционирования системы радиоконтроля спутниковой связи. При решении специальных задач по организации радиоконтроля спутниковой связи необходимо обеспечить его требуемую надежность при приемлемых материальных затратах [1-4]. В общем виде функционирование системы радиоконтроля спутниковой связи при ретрансляции информации через КА представлено на рис. 1.
С математических позиций функционирование подобной системы целесообразно оценивать в виде взаимодействия двух разных систем с противоположными целями. Цель системы спутниковой связи - обеспечение требуемого качества информации,
^^ КА-ретранслятор
ЗС радиоконтроля ЗС управления приема
целевой информации
Рис. 1. Функционирование системы радиоконтроля спутниковой связи Fig. 1. Functioning of the satellite communication radio monitoring system
излучаемой от КА ДЗЗ на ЗС управления и приема целевой информации через КА-ретранслятор. Цель средств радиоконтроля - обнаружение сигналов спутниковой связи.
В системах радиосвязи качество передачи информации на практике оценивается вероятностью неправильного приема (ошибкой) кодовой комбинации (или элементарной посылки), которая зависит от набора параметров [21]:
(1)
где двхсс - отношение мощности принимаемого сигнала к мощности шумов на входе
приемной системы ЗС; Ж - вектор параметров принимаемого сигнала спутниковой связи с учетом параметров модуляции (демодуляции) и кодирования (декодирования).
Для системы радиоконтроля основная задача - обнаружение сигналов контролируемого объекта, эффективность решения которой зависит от вероятности обнаружения радиосигнала, являющейся функцией от набора параметров:
Робн = / ( Рл.т > Чвх .РК' ^), (2)
где Рлт - вероятность ложной тревоги, которая при решении задачи энергетического обнаружения радиосигнала определяет порог обнаружения; двх РК - отношение мощности принимаемого полезного радиосигнала к мощности шумов, приведенные ко входу
р вх рк
приемной системы радиоконтроля (РК) (^вх.с.с =———); М,, - параметр, определяю-
рп. пр. РК
щий модель обнаруживаемого радиосигнала на входе обнаружителя (со случайной амплитудой и начальной фазой или только со случайной начальной фазой).
Один из параметров, влияющих на эффективность решения задач приема связного радиосигнала и радиоконтроля, - отношение мощности радиосигнала на приеме к мощности шумов по входу приемной системы [22, 23]:
Рсвх
^вх.с.с = Т, , (3)
ш. пр.
где р вх - мощность принимаемого радиосигнала на входе приемной системы;
Р пр - мощность шумов на входе приемной системы.
В общем случае мощность радиосигнала на входе приемной системы является функцией от ряда факторов:
Рсвх = / {Е (а,в), ^, ц}, (4)
где Е(а, в) - эквивалентная изотропно-излучаемая мощность связного радиосигнала КА ДЗЗ в направлении (а, в) на ЗС радиоконтроля (эквивалентная изотропно-излучаемая мощность боковых лепестков); Gпр - коэффициент усиления приемной антенны станции радиоконтроля; - итоговые потери радиосигнала на участке КА ДЗЗ -ЗС радиоконтроля.
Мощность шумов на входе приемной системы в общем случае определяется по формуле
Рш.пр = £бТш л^, (5)
где kБ = 1,38^ 10 Вт/(Гц-град) — постоянная Больцмана; Т^щ — итоговая шумовая температура приемной системы ЗС радиоконтроля, К; ДРпр - полоса пропускания приемной системы ЗС радиоконтроля, Гц.
Главная задача создания системы радиосвязи заключается в выборе параметров связного радиосигнала и методов обработки радиосигнала, определении параметров передающего и приемного трактов, обеспечивающих требуемое качество передачи целевой информации не хуже заданного (Ро < PоЛp). Очевидно, что, с одной стороны, при эксплуатации КА для выполнения данного условия мощность связного радиосигнала по входу приемной системы должна быть наибольшей. С другой стороны, с учетом возможного ведения радиоконтроля сигналов спутниковой связи со стороны зарубежных стран для обеспечения скрытности радиолиний мощность связного радиосигнала выбирается минимально необходимой.
Результаты анализа существующих методов разрешения подобного рода противоречий показывают, что применительно к рассматриваемой ситуации решение задачи возможно с использованием методов пространственной избирательности и цифровой обработки сигналов [4, 12, 22, 23, 25].
Функционирование средств радиоконтроля при применении в каналах спутников-ретрансляторов методов пространственной избирательности. Косвенным показателем эффективности функционирования системы радиоконтроля спутниковой связи является отношение мощности связного радиосигнала к мощности шумов на входе систем приема ЗС радиоконтроля и КА-ретранслятора в процессе обнаружения радиосигнала. Нахождение отношения мощности полезного радиосигнала к мощности естественных шумов на входе приемной системы ЗС радиоконтроля и КА-ретранслятора проводится с использованием расчетов энергетического бюджета радиолиний при ведении радиоконтроля на направлении от КА ДЗЗ к ЗС радиоконтроля; при обеспечении радиосвязи в направлении от КА ДЗЗ к КА-ретранслятору. Расчеты энергетического бюджета радиолиний проводятся на основе уравнения радиосвязи [27]. Отношение мощности связного радиосигнала к мощности естественных шумов по входу приемной системы ЗС управления и приема целевой информации (см. рис. 1) или КА-ретранслятора вычисляется по формуле
fp\
^пер. КА ДЗЗ^пер. КА ДЗЗПпер. КА ДЗЗ^пр. ЗС (КА)Ппр. ЗС (КА)
V Рш Увх. ЗС(КА) LkBTEm. ЗС (КА)^пр. ЗС (КА)
(6)
где ^ерюмзз - выходная мощность передатчика КА ДЗЗ, Вт; СперКАДЗЗ - коэффициент
усиления передающей антенны КА ДЗЗ, раз; пПеРкАдзз - коэффициент передачи по
мощности волноводного (фидерного) тракта передающей системы КА ДЗЗ, раз; Сщ, зс(ка) - коэффициент усиления соответственно приемной антенны ЗС управления и
приема целевой информации или КА-ретранслятора, раз; ^ ЗС(ка) - коэффициент передачи по мощности волноводного (фидерного) тракта системы приема соответственно ЗС управления и приема целевой информации или КА-ретранслятора, раз;
- результирующие потери на линии распространения радиосигнала от КА ДЗЗ до КА-ретранслятора или от КА ДЗЗ до ЗС управления и приема целевой информации, раз; ^шзс(ка) - суммарная шумовая температура системы приема соответственно ЗС управления и приема целевой информации или КА-ретранслятора, К; Д^ ЗС(КА) - полоса
пропускания системы приема соответственно ЗС управления и приема целевой информации или КА-ретранслятора, Гц [22].
Представленное аналитическое выражение получено для радиолиний спутниковой связи и радиоконтроля с учетом выполнения следующих условий:
- полоса пропускания системы приема информации полностью согласована со спектром принимаемого радиосигнала;
- передающая и приемная антенные системы наведены по направлению друг к другу по критерию максимума принимаемого радиосигнала;
- имеет место совпадение поляризаций передающей и приемной антенн.
Как правило, на практике средства радиоконтроля располагаются за пределами зоны обслуживания главного (центрального) лепестка ДН передающей антенны контролируемого средства радиосвязи. В таком случае прием связного радиосигнала средствами радиоконтроля возможен по боковым лепесткам ДН передающей антенны источника радиосигнала, что по факту приводит к его ослаблению относительно усиления в главном (центральном) лепестке.
Отношение мощности связного радиосигнала к мощности шумов по входу приемной системы ЗС радиоконтроля (см. рис. 1) вычисляется по формуле
Pc _ ^пер.КАДЗЗ^'б.л-з.лКАДЗз'Ппер. КА ДЗЗ^пр. РКПпр.РК^пол
V Рш )РК LZkETZm. РК ^пр. РК
(7)
где Сбл_злКАДзз - коэффициент усиления по боковым и задним лепесткам ДН передающей антенны КА ДЗЗ в направлении ЗС радиоконтроля, раз; ^ рк - коэффициент усиления приемной антенны ЗС радиоконтроля, раз; ^ рк - коэффициент передачи по
мощности фидерного (волноводного) тракта приемной системы ЗС радиоконтроля, раз; ^ол - коэффициент, учитывающий различие поляризаций антенн на передачу и на прием, раз; Ls - результирующие потери на линии распространения радиосигнала от КА ДЗЗ до ЗС радиоконтроля, раз; Г2ш рк - суммарная шумовая температура приемной
системы ЗС радиоконтроля, К; Л^ рк - полоса пропускания приемной системы ЗС
радиоконтроля, Гц [22].
Анализ выражений (1)-(7) показывает, что повышение скрытности линий спутниковой связи при обеспечении требуемого уровня эффективности функционирования системы связи возможно за счет увеличения коэффициента усиления передающей антенны при одновременном уменьшении уровня ее излучений по боковым и задним лепесткам; коэффициента усиления приемной антенны; ширины спектра связного сигнала (полосы пропускания приемной системы) [1-4, 22].
Для реализации мер пространственной избирательности на практике как на приемной, так и на передающей стороне применяются антенные системы с узкой ДН, которые имеют большой коэффициент усиления и низкий уровень излучения в направлении боковых и задних лепестков. Выигрыш в скрытности линии спутниковой связи от принятия в этих системах узконаправленных антенн можно оценить с помощью энергетического показателя, описанного в работах [22, 23].
Параметром, определяющим уровень боковых и задних лепестков ДН антенной системы, является направление (угол) прихода (излучения) сигнала 0. В качестве примера на рис. 2 представлена зависимость нормированной ДН антенной системы от угла относительно направления максимума для фиксированных значений частоты = 36,75 ГГц) и диаметра антенны (Оа = 0,45 м), соответствующих коэффициенту усиления антенны 42,27 дБ.
Рис. 2. Зависимость нормированной ДН антенной системы Gac от угла © относительно направления максимума Fig. 2. The dependence of the normalized directional pattern of the antenna system G^ on the angle © relative to the direction of the maximum
Отметим, что на практике перед началом радиоконтроля точное (истинное) местоположение источника связного радиосигнала является априори неизвестным для средств радиоконтроля. В целях преодоления данной неопределенности в средствах радиоконтроля используются антенные системы с достаточно широкой ДН или узконаправленные антенные системы, при этом дополнительно проводится поиск радиосигналов по пространству. Таким образом, в первом случае мощность контролируемого радиосигнала уменьшается, во втором - возрастает за счет дополнительного времени поиска радиосигналов по пространству и времени проведения радиоконтроля. Как результат, в обоих случаях сокращается общая эффективность решения задачи радиоконтроля.
Функционирование систем спутниковой связи с расширением спектра радиосигналов. Применение исключительно мер пространственной избирательности в большинстве случаев недостаточно для скрытного использования систем спутниковой связи от средств радиоконтроля зарубежных средств. Один из известных способов обеспечения заданных требований по вероятности ошибочного приема и уменьшения порогового отношения мощностей радиосигнала и шумов по входу демодуляторов - применение помехоустойчивых методов кодирования и декодирования информации (связных радиосигналов). Другой способ повышения эффективности скрытности - использование современных методов сигнальной обработки [21, 22]. Данные методы основаны на использовании в системах спутниковой связи сложных радиосигналов в сочетании с их оптимальной обработкой при приеме, что способствует увеличению отношения мощностей радиосигнала и естественных шумов по входу демодулятора радиосигналов приемного тракта КА-ретранслятора. В результате расширяется спектр излучаемого
связного радиосигнала и существенно снижается отношение сигнал / шум в приемнике ЗС радиоконтроля.
Для реализации требований относительно скрытности функционирования систем спутниковой связи в полном объеме целесообразно параллельно использовать меры пространственной избирательности и современные методы оптимальной обработки радиосигналов. Сигнальная обработка основана на использовании сложных широкополосных радиосигналов, которые расширяют спектр информационного исходного сигнала. В качестве широкополосных радиосигналов, позволяющих обеспечить скрытную передачу информации, могут использоваться фазоманипулированные радиосигналы, модулированные расширяющей спектр кодовой последовательностью (фазоманипули-рованные - широкополосные радиосигналы); радиосигналы с программной (псевдослучайной) перестройкой рабочей частоты; комбинированные фазоманипулированные радиосигналы - широкополосные радиосигналы с программной (псевдослучайной) перестройкой рабочей частоты.
Анализ работ [1-13] показал, что в современных системах спутниковой связи и ретрансляции информации в большинстве случаев используются сигналы на основе фазовой манипуляции (BPSK, QPSK, 8PSK и т. д.). Использование сигналов с другими видами модуляции (QAM, OFDM и т. д.) не повлияет на рассматриваемый подход к решению задачи радиоконтроля сигналов спутниковой связи, поэтому в настоящей статье они не рассматриваются.
С точки зрения обеспечения скрытной передачи данных самый предпочтительный вариант - применение радиосигналов вида фазоманипулированные - широкополосные. Данное обстоятельство объясняется тем, что расширение спектра методом программной перестройки рабочей частоты сопровождается некогерентным приемом информации в отличие от метода прямого расширения спектра. На практике это приводит к энергетическим потерям порядка 3 дБ. При этом скрытность обнаружения широкополосных радиосигналов и радиосигналов с программной (псевдослучайной) перестройкой рабочей частоты одинаковая.
Приемы расширения спектра могут использоваться только для радиосигналов с ограниченной информационной скоростью, например для командной и телеметрической информации. Полоса частот целевой информации КА ДЗЗ сопоставима с выделенной полосой канала связи и не может быть значительно расширена.
Обнаружение радиосигналов методами накопления. Как показывает практика применения средств радиомониторинга, обеспечить требуемое отношение сигнал / шум для эффективного обнаружения в разведываемых радиолиниях спутниковой связи часто не представляется возможным. Отношение сигнал / шум не изменяется при линейном усилении. Методы оптимального приема информации в средствах радиоконтроля не применяются, поскольку требуется выполнение сразу двух условий. Для свертки принимаемого радиосигнала на приемной стороне необходимо иметь его копию и обеспечивать синхронизацию обнаруживаемого радиосигнала с копией полезного связного радиосигнала как по частоте, так и по времени. Детальный анализ существующих методов проведения радиоконтроля энергетически слабых радиосигналов [1-30] подтверждает, что в данных условиях обеспечить требуемое отношение сигнал / шум для эффективного обнаружения возможно лишь за счет когерентного накопления обработанных радиосигналов.
Цель предварительной обработки - выявление признаков радиосигнала, которые не зависят от характера модулирующих последовательностей. К таким способам можно отнести спектральный анализ с последующим накоплением его результатов на интер-
вале измерения; восстановление несущей; автокорреляционную обработку принятых радиосигналов. Первые два метода используются для обнаружения слабых радиосигналов с базой, близкой к единице. Последний эффективен для обнаружения радиосигналов с прямым расширением спектра с помощью фазоманипулированной псевдослучайной последовательности.
Одна из особенностей радиоконтроля КА ДЗЗ - появление эффекта Доплера, связанного с движением КА относительно станции радиоконтроля. Обозначим через V, ту компоненту скорости движения КА ДЗЗ, которая совпадает с линией радиосвязи КА ДЗЗ - ЗС радиоконтроля, и условимся считать величину V, отрицательной в случае уменьшения расстояния между КА ДЗЗ и ЗС радиоконтроля и положительной - при увеличении этого расстояния.
Как известно, при движении любого источника радиосигнала со скоростью ±\, частота принимаемых колебаний f соотносится с частотой излучаемых колебаний
/ = и (1 ± V г / С) ,
где c - скорость света.
Как правило, выполняется условие \,1с << 1. Значит, при движении источника радиосигнала по направлению приемника имеет место / = /0 (1 ± Vг / с). Отсюда следует изменение частоты из-за появления эффекта Доплера:
5/0 = / - /о =±/оV,. / С.
Так, при / = 24 ГГц (Кя-диапазон) 5/ =± 560 кГц, / = 14 ГГц (Ки-диапазон)
5/ = ± 330 кГц. Это означает, что в идеальном приемнике радиоконтроля должно быть
предусмотрено программное сопровождение КА ДЗЗ не только по его положению, но и по доплеровскому сдвигу несущей частоты.
Спектральный анализ. Спектральный анализ основан на использовании спектро-анализаторов радиосигналов, которые записывают данные в электронную память и анализируют их в частотной и временной областях. Для анализа сигнала, несущего цифровую модуляцию, требуются векторные измерения, обеспечивающие получение информации не только об амплитуде, но и о фазе. Векторный анализатор полностью преобразует в цифровую форму радиосигнал в пределах полосы пропускания прибора, чтобы извлечь из него информацию об амплитуде и фазе, необходимую для измерения параметров цифровой модуляции. Измерения, выполняемые анализатором спектра в реальном масштабе времени, реализованы с помощью приемов и алгоритмов цифровой обработки сигналов.
В режиме анализа спектра в реальном масштабе времени анализатор обеспечивает два синхронных представления захваченного сигнала: зависимость мощности от частоты и спектрограмму. Синхронный анализ в нескольких областях обеспечивает разнообразное масштабирование и тщательное изучение частей зарегистрированного радиоканала с помощью оптимальных средств анализа. Обнаружение радиосигналов методом накопления результатов спектрального анализа основано на том, что спектр реального радиосигнала не зависит от информационного содержания модулирующей последовательности при условии сохранения длительности элементарной посылки. При накоплении спектральных коэффициентов они складываются арифметически, а помехи - среднеквадратично. Данный способ прост в реализации за счет использования серийно выпускаемой измерительной аппаратуры. Недостатком является чувствительность к
доплеровскому смещению несущей и спектра, что ограничивает время накопления спектральных коэффициентов.
Восстановление несущей. Другой путь предварительной обработки принятого радиосигнала с целью обеспечения его накопления - восстановление несущей, подавленной при фазовых манипуляциях BPSK и QPSK. Частным случаем использования алгоритмов восстановления несущей являются устройства символьной синхронизации. Устройства восстановления несущей можно схемотехнически разделить на две основные группы - замкнутые и разомкнутые.
Замкнутые устройства основаны на синхронизации генератора с входным модулированным радиосигналом. Замкнутые устройства точнее, однако более сложные и требуют большего времени на вхождение в синхронизм. Разомкнутые устройства представляют собой нелинейные преобразователи входного радиосигнала с последующей фильтрацией. Они генерируют радиосигнал несущей со скоростью поступления входного воздействия. В данном методе восстановления несущей без использования параметров модуляции используется нелинейная операция умножения частоты с целью создания гармоник несущей частоты с удаленной модуляцией, которые подвергаются полосовой фильтрации и делятся по частоте для восстановления несущей. Для последующей фильтрации от шумов могут использоваться как полосовые фильтры, так и фазовая автоподстройка частоты. Порядок модуляции соответствует порядку нелинейного элемента, необходимого для получения несущей гармоники. В случае использования QPSK на выходе нелинейного элемента четвертой степени формируется многокомпонентный радиосигнал (квазикогерентный), содержащий также смодулированную четвертую гармонику входного воздействия.
Устройства выделения несущей замкнутого типа основаны, как правило, на разных модификациях петли Костаса требуемого порядка. Петля Костаса - разновидность фазовой автоподстройки частоты, которая использует квадратурные когерентные радиосигналы для оценки фазовой ошибки в целях управления генератором контура. Восстановление несущей контуром Костаса может быть применимо для любой схемы демодуляции М-ичной PSK. Недостаток при ведении радиоконтроля - длительное время синхронизации петли фазовой автоподстройки частоты. Для ускорения захвата несущей могут использоваться вспомогательные цепи частотной автоподстройки или свипирования.
Энергетический выигрыш при использовании нелинейных операций зависит как от начальных условий (соотношения сигнал / шум на входе перемножителей, априорной информации о частоте несущей, точности отслеживания доплеровского сдвига), так и от соотношения полос пропускания на входе и выходе или в петле фазовой автоподстройки частоты устройства. На практике энергетический выигрыш при использовании данного метода достигает 12 дБ.
Обнаружение радиосигнала методом автокорреляционной обработки. Принципы автокорреляционной обработки сигналов, структурная схема реализующего ее устройства, графические зависимости отношения мощности сигнала к мощности шумов на выходе устройств автокорреляционной обработки сигналов от относительной полосы частот приема, относительной расстройки по частоте, базы сигналов и времени обработки сигналов подробно рассмотрены в работах [21, 22]. В качестве мер повышения эффективности ведения радиоконтроля на практике применяются методы последовательного и параллельного поиска параметров устройств автокорреляционной обработки
сигналов. Время, требуемое для обнаружения радиосигнала с применением устройств автокорреляционной обработки сигналов, Гобн > В / Л/р.
Таким образом, с математических позиций функционирование радиоконтроля спутниковых связей целесообразно оценивать в виде взаимодействия системы спутниковых связей и системы радиоконтроля, имеющих противоположные цели.
Прием связных радиосигналов с помощью наземных средств радиоконтроля осуществим лишь по боковым лепесткам ДН передающих антенн КА ДЗЗ, что означает его ослабление относительно значения коэффициента усиления в главном лепестке. В реальной обстановке ведение радиоконтроля КА ДЗЗ осложняется следующими факторами: погрешностями определения траекторных характеристик КА ДЗЗ; отсутствием точной информации об используемых в момент сеанса связи сигнально-кодовых конструкций; наличием большого доплеровского смещения частоты и спектра связного радиосигнала; отсутствием информации о реальных уровнях боковых и задних лепестков КА ДЗЗ.
Результаты анализа показывают, что решение задачи возможно за счет максимального повышения эффективности антенной системы ЗС радиоконтроля и сигнальной обработки средствами ЗС радиоконтроля. Реально повысить эффективность антенны ЗС можно за счет увеличения ее апертуры либо с помощью пространственно-разнесенного приема. В первом случае усложняется система наведения и слежения за КА, а во втором - значительно увеличивается стоимость аппаратуры радиоконтроля. В соответствии с энергетическими расчетами бюджета радиолиний в разведываемых радиолиниях спутниковых связей обеспечить необходимое отношение сигнал / шум для эффективного обнаружения, как правило, невозможно. Суть сигнальной обработки заключается в создании предпосылок для когерентного накопления радиосигнала и некогерентного -шумов.
Обнаружение радиосигналов методом накопления результатов спектрального анализа основано на том, что спектр реального радиосигнала не зависит от информационного содержания модулирующей последовательности при условии сохранения длительности элементарной посылки. При накоплении спектральных коэффициентов они складываются арифметически, а помехи - среднеквадратично. Данный способ прост в реализации за счет использования серийно выпускаемой измерительной аппаратуры. Обнаружение радиосигналов на основе устройств автокорреляционной обработки сигналов реализуется с помощью методического подхода к свертке фазоманипулированно-го радиосигнала на удвоенной частоте вспомогательного гетеродина (математический аппарат и графические зависимости приведены в работах [21, 22]).
Оценка энергетических характеристик аппаратуры ретрансляции сигналов КА ДЗЗ. Цель радиоконтроля - установление факта передачи информации по линии спутниковой ретрансляции. Так как прием сигнала КА ДЗЗ на аппаратуру ЗС радиоконтроля возможен только при его излучении по боковым лепесткам КА ДЗЗ, то для расчета параметров ЗС радиоконтроля необходимы следующие исходные данные: баллистическая траектория движения КА ДЗЗ; координаты ЗС РК; частотный диапазон линии ретрансляции; используемые сигнально-кодовые конструкции; скорость передачи информации; заданная надежность обнаружения; эквивалентная изотропно-излучаемая мощность боковых лепестков антенны ретрансляции КА ДЗЗ. Согласно перечисленным данным определяются требования к добротности приемной антенны ЗС радиоконтроля и, следовательно, к ее геометрическим размерам.
Наиболее проблематичным является получение информации об эквивалентной изотропно-излучаемой мощности боковых лепестков. В технической литературе можно
найти информацию по типовому уровню боковых лепестков в свободном пространстве [5, 22, 23], однако при установке антенны на конкретный КА электродинамические характеристики антенн в задней полусфере существенно меняются.
Рассмотрим возможность вычисления оценок неизвестных параметров согласно алгоритму проведения вычислений.
На первом шаге определяется минимально необходимая эквивалентная изотропно излучаемая мощность основного лепестка антенны КА ДЗЗ для ретрансляции целевой информации с заданной скоростью. Вычислим в качестве модельного примера оценки характеристик приемной антенны ЗС радиоконтроля при ретрансляции целевой информации через спутник TDRS в Км-диапазоне частот. Расчет в Ка-диапазоне проводится аналогично при наличии информации о технических характеристиках соответствующего транспондера КА-ретранслятора. Исходные данные из литературных источников для КА TDRS первого поколения: Км-диапазон частот; апертура остронаправленной антенны 4,9 м; коэффициент усиления антенны на прием 54 дБ; ширина ДН 0,27 град; поляризация круговая. Добротность приемной системы КА-ретранслятора зависит от ориентации антенны. Если КА ДЗЗ находится на фоне земной поверхности, добротность составит 24,4 дБ/К.
Существует множество методик и программ расчета спутниковых радиолиний. При одинаковых исходных данных все они дают близкие результаты с разной степенью детализации. В качестве инструмента для энергетических расчетов можно воспользоваться онлайн-калькуляторами ИКЦ «Северная Корона» (г. Санкт-Петербург, Россия). Принятые в расчете дополнительные исходные данные: скорость передачи информации 100 Мбит/с; сигнально-кодовая конструкция QPSK, FEC = 1/2, ЕУЫ0 = 1 дБ; частота 15 ГГц; наклонная дальность 40 000 км. Особое значение имеет уровень дополнительных потерь. Потери в атмосфере отсутствуют. Потери на рассогласование ДН антенн равны 1 дБ. Потери, связанные с накоплением шумов при ретрансляции для систем с параметрами TDRS, не превышают 1,5 дБ. Энергетический резерв в радиолинии с учетом погрешностей технической реализации модемов, нелинейности тракта и возможной деградации характеристик транспондеров составляет 3 дБ. Таким образом, дополнительные потери составляют 5,5 дБ.
На рис. 3 приведены результаты энергетических расчетов эквивалентной изотропно-излучаемой мощности КА ДЗЗ при ретрансляции информации через КА TDRS в Км-диапазоне со скоростью 100 Мбит/с. Минимальное значение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности при выполнении перечисленных условий составляет 41,5 дБВт. Результаты расчета полосы сигнала при коэффициенте сглаживания 0,2 представлены на рис. 4.
На втором шаге определяется эквивалентная изотропно-излучаемая мощность боковых лепестков в диапазоне возможных значений их относительного уровня (от -30 до -40 дБ). Полученное значение при отно-
Энергетика раднолвннн
® ЭИИМ прд. 41 5116396 дБВт V
О V инф. 100 МБит/с V
О Частота 15 ГГц V
О Дальность 40000 км V
О Доп. потери 55 дБ V
О G.T прм. 24 4 ДБ/К V
C/N0 81 дБ V
О Eb/N0 (Т- дБ V
Расчет
Рис. 3. Результаты энергетических расчетов эквивалентной изотропно-излучаемой мощности КА ДЗЗ при ретрансляции информации через КА TDRS в Км-диапазоне со скоростью 100 Мбит/с
Fig. 3. Results of energy calculations of the remote sensing spacecraft equivalent isotropic radiating power when information is relayed via the TDRS spacecraft in the Km range at a speed of 100 Mbit/s
сительном уровне боковых лепестков -30, -35 и -40 дБ соответственно составит:
41,5 дБВт - 30 дБ = 11,5 дБВт;
41,5 дБВт - 35 дБ = 6,5 дБВт;
41,5 дБВт - 40 дБ = 1,5 дБВт.
На третьем шаге выбирается способ обработки принятого сигнала. Так как КА ДЗЗ перемещается относительно ЗС радиоконтроля с высокой скоростью, то в тракте ЗС следует предусмотреть программную компенсацию доплеровского смещения частоты. При этом обнаружение сигнала может выполняться несколькими способами:
- простое измерение мощности сигнала и шума в полосе сигнала с порогом около 3 дБ;
- измерение спектра сигнала с арифметическим накоплением спектральных составляющих и среднеквадратическим сложением помеховой составляющей. Энергетический выигрыш по сравнению с измерением отношения сигнал / шум во многом зависит от условий приема и составляет от 3 до 6 дБ;
- восстановление несущей, при котором с помощью нелинейных преобразований восстанавливается подавленная несущая. Эффективность метода достигает 10 дБ, зависит от условий приема и падает с увеличением кратности модуляции;
- автокорреляционный прием, наиболее эффективный, но сложный в реализации и подходящий не ко всем классам сигналов.
На четвертом шаге рассчитываются добротность и геометрические размеры приемной антенны ЗС радиоконтроля. Так как ЗС контролирует спутниковую линию связи, то многие исходные данные при расчете добротности спутниковой линии и линии контрольного канала совпадают: частота 15 ГГц; скорость передачи информации 100 Мбит/с; сигнально-кодовая конструкция QPSK. Различаются следующие параметры: наклонная дальность до 3000 км; наличие потерь в околоземном пространстве; отсутствие потерь на накопление шумов ретрансляции; не подверженный демодуляции сигнал; большое значение доплеровского смещения частоты, зависящее от взаимного расположения траектории полета КА ДЗЗ и координат ЗС, частоты передачи информации. Потери на рассогласование ДН антенн равны 1 дБ. Энергетический резерв в линии с учетом погрешностей технической реализации модемов, нелинейности тракта и возможной деградации характеристик транспондеров 1 дБ. Для распознавания сигнала на фоне шумов вводится дополнительное требование по превышению сигнала на 3 дБ.
Для примера расчета потерь в околоземном пространстве выберем место расположения ЗС радиоконтроля в районе г. Смоленска с координатами 55 град с. ш. и 32 град в. д. Высота над уровнем моря 250 м. Минимальное значение угла места 10 град. Надежность радиолинии равна 0,95. Для расчетов воспользуемся соответствующим калькулятором ИКЦ «Северная Корона». Результаты расчета представлены на рис. 5. Суммарный уровень потерь на околоземном участке составляет 1,9 дБ. В раздел расчета «Доп. потери» должно быть введено 1 дБ + 1 дБ + 3 дБ + 1,9 дБ = 6,9 дБ. Результаты расчета добротности антенной системы при уровне боковых лепестков КА ДЗЗ -30 дБ приведены на рис. 6. Результаты расчета при уровнях -35 и -40 дБ соответственно на 5 и 10 дБ выше.
Полоса сигнала
V инф. 100000 Коит'с
Модуляция QPSK V
FEC 0 5
Roll-Off 02
Заннм. полоса 120000 КГц
V символьная 100000 кбод/'с
Спектр, эффект -тъ бнт'(с*Гц)
Расчет
Рис. 4. Результаты расчета полосы сигнала при
коэффициенте сглаживания 0,2 Fig. 4. Results of calculating the signal band with a smoothing coefficient of 0.2
Потерн на участке "Земля-Космос"
Частота 15 ГГц V
Широта 55 град
Долгота 32 град
Высота над УМ V 250 м ~
Угол места 10 град
Надежность 95 %
М Старые карты дождей
Потери в атмосфере 0.3872223 дБ
Потерн в дожде 0.4575925 дБ
Потери в облаках 0 7706354 дБ
Потери от сцинтилляций 0 8333669 дБ
Потери суммарные 1.8714879 дБ
Расчет
Рис. 5. Результаты расчета потерь на околоземном участке контрольного канала
Fig. 5. Results of calculation of losses in the near-Earth section of the control channel
Энергетика радиолинии
о ЭШ1М прд. 11 5 дБВт V
О V инф. 100 МБит/с V
О Частота 15 ГГц V
О Дальность 3000 км V
О Доп. потери 69 ДБ V
(§) G.T прм. 32.3128648 дБ/К V
С,TÍO 80 дБ V
О ЕЬТчО о дБ V
Расчет
Рис. 6. Расчет добротности антенной системы ЗС
при уровне боковых лепестков КА ДЗЗ -30 дБ Fig. 6. Calculation of the Q-factor of the Earth station antenna system at the level of the side lobes of the remote sensing spacecraft equal to -30 dB
Таким образом, добротность антенной системы ЗС радиоконтроля при уровне боковых лепестков КА ДЗЗ -30; -35; -40 дБ должна быть не менее 32,3; 37,3; 42,3 дБ/К соответственно при условии, что обнаружение сигнала происходит простым измерением мощности сигнала и шума с порогом около 3 дБ.
При расчете геометрических размеров антенны следует учитывать, что типичное значение суммарной шумовой температуры антенны в совокупности с малошумящим усилителем и фидерным трактом составляет 120 К, что соответствует 20,8 дБ/К. Тогда коэффициент усиления антенной системы = G/T + T для приема информации при уровнях боковых лепестков КА ДЗЗ -30; -35; -40 дБ должен быть не менее 53,1; 58,1; 63,1 дБ соответственно. На рис. 7 приведены результаты расчета диаметра антенны ЗС радиоконтроля при уровне боковых лепестков КА ДЗЗ -30 дБ путем простого обнаружения сигнала с порогом около 3 дБ.
В таблице представлены результаты расчетов геометрических размеров антенн ЗС при разных уровнях боковых лепестков и способах обработки сигналов на приеме. Принято, что по сравнению с простым обнаружением накопление спектральных коэффициентов дает энергетический выигрыш 4 дБ, а восстановление несущей - 7 дБ. Автокорреляционный прием не рассматривается ввиду сложности его реализации. Полученные результаты носят оценочный характер, так как остаются неизвестными истинные значения уровней боковых лепестков КА ДЗЗ.
Усиление антенны
Частота 15 ЦгГц у
О КИП 0.6
® D.M V 3711111
О G. дБи V 53.1
Расчет
Рис. 7. Расчет диаметра антенны ЗС РК при уровне боковых лепестков КА ДЗЗ -30 дБ Fig. 7. Calculation of the diameter of the Earth station radio control antenna at the level of the side lobes of the remote sensing spacecraft equal to -30 dB
Результаты расчетов диаметров антенн ЗС (м) при разных уровнях боковых лепестков КА ДЗЗ и способах обработки сигналов на приеме Results of calculations of the Earth stations antennas diameters (m) at different levels of the side lobes of the remote sensing spacecraft and different methods of signal processing at reception
Обработка сигнала Уровень боковых лепестков КА ДЗЗ, дБ
-30 -35 -40
Измерение соотношения сигнал / шум 3,7 6,6 11,7
Спектральный анализ 2,4 4,2 7,4
Восстановление несущей 1,7 3 5,25
Моделирование процессов обнаружения сигнала методом восстановления несущей с последующей фильтрацией. Обнаружение сигналов путем восстановления несущей эффективно для случаев модуляции BPSK и QPSK. Эти виды модуляции наиболее часто используются для ретрансляции целевой информации КА ДЗЗ. Для уменьшения требований к техническим характеристикам наземной аппаратуры радиоконтроля необходимо снижать порог и время обнаружения сигнала. Один из возможных путей - использование следящего фильтра, установленного после цепей восстановления несущей. На рис. 8 представлена обобщенная схема обработки сигнала с восстановленной несущей. Следящий фильтр уменьшает шумовую составляющую в цепи измерения от сотен килогерц (доплеровский сдвиг) до сотен герц (эквивалентная ширина полосы пропускания фильтра).
Задача следящего фильтра - обнаружение и фильтрация сигнала во всей полосе возможных значений доплеровского сдвига частоты. Традиционно прием сигнала в доплеровском диапазоне частот решался тремя способами: последовательным и параллельным поиском, а также их комбинацией.
Последовательный поиск реализуется в объединенном устройстве частотной фазовой автоподстройки. При частотной автоподстройке осуществляется предварительный поиск сигнала путем сканирования по доплеровскому диапазону частот узкополосным фильтром. После обнаружения сигнала его частота определяется системой фазовой автоподстройки. Преимущество данного метода - точное с погрешностью до фазы определение частоты с последующим непрерывным сопровождением, недостаток - значительные временные издержки.
Параллельный поиск с начала развития космической радиоэлектроники реализуется путем разделения доплеровского диапазона на сопряженные частотные полосы и выявления сигнала в одной из этих полос. Преимущество параллельного поиска - минимальные временные затраты,
Нормированный по уровню сигнал промежуточной частоты
_ I
Полосовой фильтр
_!_
Восстановление несущей
I
Следящий фильтр
t
На аппаратуру анализа сигнала
Рис. 8. Обобщенная схема обработки
сигнала восстановленной несущей Fig. 8. Generalized scheme of signal processing of the restored carrier
Рис. 9. Структурная схема нелинейного следящего фильтра (АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БПФ - быстрое преобразование Фурье;
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь) Fig. 9. Block diagram of a nonlinear tracking filter (АЦП - analog-to-digital converter; БПФ - fast Fourier transform; ЦАП - digital-to-analog converter)
недостаток - низкая точность определения частоты, устанавливаемая дискретностью разбиения доплеровского диапазона.
Измерение доплеровской частоты необходимо для решения задачи точного определения положения КА на орбите. Данное устройство позволяет вычислительными методами выделять сигнал на фоне шумовой помехи, а также проводить измерение его частоты с минимальными временными затратами и частотными погрешностями. Принцип действия фильтра основан на применении двойного (прямого и обратного) ортогонального преобразования с обнулением после первого преобразования спектральных компонентов, амплитуда которых находится ниже заданного уровня.
На рис. 9 представлена структурная схема нелинейного следящего фильтра. Нормированная по уровню смесь сигнала и помехи поступает на фильтр с полосой пропускания, равной полному доплеровскому сдвигу на восстановленной частоте несущей (см. рис. 8). Вне зависимости от уровня входного сигнала АЦП использует всю разрядную сетку. Нормированная смесь сигнала и помехи подается на АЦП (см. рис. 9), а затем на блок, формирующий пачки отсчетов с количеством элементов 2к (к = 2, 3, 4, ...).
Как правило, значение к выбирается больше 10. Следующий блок осуществляет прямое косинусное преобразование. Выходной поток действительных чисел, состоящий из спектральных коэффициентов, подвергается операции центрального клиппирования, при которой отсчеты с абсолютным значением меньше установленного порога заменяются нулями. Таким образом, смесь сигнала и помехи очищается от компонентов с низкой спектральной плотностью. Коэффициенты после клиппирования формируют мгновенный спектр сигнала единичного блока. Во взвешивающем сумматоре происходит накопление решений по N последовательно сформированным блокам. Физически это означает суммирование N парциальных коэффициентов на каждой из 2к частотных позиций, причем большинство коэффициентов нулевые.
На рис. 10 представлен один из возможных вариантов реализации сумматора на базе стека. После обработки очередного блока его данные помещаются на первую позицию, остальные смещаются на одну позицию вправо, а последний блок исключается из расчета. Таким образом, осуществляется операция когерентного накопления частных (блоковых) решений.
Рис. 10. Вариант построения сумматора решений блоковой обработки Fig. 10. A variant of constructing a block processing solution adder
Операция выделения максимума из значений спектральных коэффициентов является окончательным «жестким» решением, определяющим амплитуду сигнала маяка, порядковый номер коэффициента определяет его частоту. Эти параметры могут использоваться в блоках цифровой обработки сигналов и для управления синтезаторами. В ряде случаев цифровой нелинейный фильтр формирует обработанный аналоговый сигнал без принятия «жесткого» решения о его частоте. Тогда выходное колебание будет иметь определенное отношение сигнал / помеха ввиду остаточных спектральных компонентов шумовой помехи.
Технические характеристики блоков и узлов фильтра обусловлены требованиями к точности определения параметров несущей, в первую очередь частоты. При проектировании устройств цифровой обработки сигналов частота дискретизации выбирается выше теоретического предела и составляет после предварительной обработки 2,5-3 номинала ширины доплеровского спектра Д/ Пусть Y (Гц) - требуемая точность определения доплеровского сдвига, V (Гц) - скорость изменения несущей частоты. Тогда частота принятия решений о текущем значении доплеровского сдвига не может быть меньше V/Y (Гц). Следовательно, минимальная производительность цифровой обработки должна составить R = 3Дf(V/Y) отсчетов/с.
Соотношение размеров и количества блоков дискретного преобразования Фурье в одном цикле измерений определяется конкретными особенностями используемого процессора и требуемой точностью вычисления доплеровского сдвига. Разрешающая способность по частоте получается делением скорости дискретизации на число точек быстрого преобразования Фурье в блоке. С увеличением количества блоков и, соответственно, уменьшением их размерности уменьшается разрешающая способность, однако снижаются и требования к аппаратной части вычислителя. Современные системы синхронизации при приеме информационных сигналов требуют точности предварительного определения доплеровского сдвига до нескольких десятков герц.
На рис. 11 представлена структурная схема имитационной модели фильтра с фиксированным порогом в среде Simulink. Для удобства моделирования в схему добавлены блоки нормализации уровня смеси сигнала и помехи, имитирующие работу автоматического регулятора усиления. Входной сигнал, представляющий собой смесь монохро-
матического колебания с шумовой помехой, генерируется блоками Sine Wave и Random Source, выходные уровни которых устанавливаются блоками Gain 1 и Gain 2 и индицируются цепями квадратичных вольтметров с индикаторами Display и Display 1. Входное и выходное значения отношения сигнал / помеха определяются как отношение мощностей сигнала и шума в доплеровской полосе частот.
Рис. 11. Имитационная модель нелинейного фильтра с фиксированным порогом Fig. 11. Simulation model of a nonlinear filter with a fixed threshold
Рис. 12. Упрощенная структурная схема модели фильтра на промежуточной частоте
с фиксированным порогом Fig. 12. The simplest block diagram of the filter model at an intermediate frequency with a fixed threshold
Моделирование работы фильтра по схеме на рис. 11 занимает много времени даже при использовании современной вычислительной техники. Для ускорения работы создано несколько упрощенных моделей, одна из которых приведена на рис. 12. Предполагается, что сигнал с шумом в доплеровской полосе промежуточной частоты предварительно нормирован по амплитуде системой автоматического регулятора усиления. Для лучшей визуализации спектра с учетом особенностей виртуальных приборов выбрана промежуточная частота 455 кГц, полоса - около 30 кГц. Порог центрального клиппирования задается в блоке Dead Zone, и его номинал оптимизирован для средних значений входного отношения сигнал / шум.
На рис. 13 представлена зависимость входного и выходного значений отношения сигнал / шум. В общем случае координаты конкретных точек графика зависят от размера блока данных, подвергнутых обработке, и конкретного значения порога. Нелинейность передаточной характеристики фильтра объясняется наличием операции центрального клиппи-рования. Нелинейный характер подтверждается спектрограммами сигналов, полученными при разном качестве входного сигнала (рис. 14).
Рис. 13. Зависимость выходного значения отношения сигнал / шум от входного Fig. 13. Dependence of the output value of the signal-to-noise ratio on the input
Рис. 14. Спектр сигнала и шума в доплеровской полосе на входе (слева) и выходе (справа) фильтра: а - входное соотношение сигнал / шум -9 дБ. Порог фиксированный Fig. 14. The spectrum of the signal and noise in the Doppler band at the input (left) and output (right) of the filter: a - the input signal-to-noise ratio is -9 dB. The threshold is fixed
б
Рис. 14. Спектр сигнала и шума в доплеровской полосе на входе (слева) и выходе (справа) фильтра: б - входное соотношение сигнал/шум -3 дБ. Порог фиксированный
Fig. 14. The spectrum of the signal and noise in the Doppler band at the input (left) and output (right) of the filter: b - the input signal-to-noise ratio is -3 dB. The threshold is fixed
Результаты моделирования показывают значительное улучшение характеристик сигнала после его нелинейной фильтрации, что облегчает его обнаружение в ручном и автоматическом режимах.
Заключение. Современные КА оптико-электронного наблюдения имеют на борту оптические средства с очень высоким разрешением на местности [1], что предъявляет жесткие требования к скорости информационного обмена к каналу передачи (ретрансляции) разведывательной информации. Для выбранной в модельном примере скорости передачи информации от КА оптико-электронного наблюдения на КА-ретранслятор на геостационарной орбите 100 Мбит/с эквивалентная изотропно-излучаемая мощность должна составлять не менее 41,5 дБВт в главном лепестке ДН антенны. Поскольку прием информации средствами радиоконтроля осуществляется по боковым лепесткам ДН, то, соответственно, уровень энергетики на входе приемного тракта средства радиоконтроля будет ниже не менее чем на 30 дБ. Это обусловливает, в свою очередь, требования к чувствительности приемника и коэффициенту усиления антенны средств радиоконтроля.
В силу того, что КА ДЗЗ перемещается относительно ЗС радиоконтроля с высокой скоростью, в тракте ЗС желательно предусмотреть программную компенсацию допле-ровского смещения частоты. Основные способы обнаружения сигнала при этом: простое измерение мощности сигнала и шума в полосе сигнала с порогом около 3 дБ; измерение спектра сигнала с арифметическим накоплением спектральных составляющих и среднеквадратическим сложением помеховой составляющей; восстановление несущей и автокорреляционный прием.
Для выбранных исходных данных и начальных условий с учетом специфики рассматриваемой дуэльной ситуации требуемые значения добротности на прием средств радиоконтроля составили 32,3; 37,3; 42,3 дБ/К соответственно при уровне боковых лепестков -30; -35; -40 дБ. В данном случае обнаружение сигнала происходит простым измерением мощности сигнала и шума с порогом около 3 дБ. Для всех рассматриваемых способов обработки информации получены расчетные значения требуемых диаметров антенн, которые составляют от 1,7 до 11,7 м.
По результатам имитационного моделирования получены графические зависимости смеси спектра сигнала и шума на входе и выходе фильтра после обработки. Отношение сигнал / шум после обработки значительно возрастает, что облегчает его обнаружение в ручном или автоматическом режимах.
Литература
1. Пантенков Д. Г., Гусаков Н. В., Ломакин А. А. Обзор современного состояния орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и космических ретрансляторов. Обзорная статья // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 1. С. 120-149. https://doi.org/10.24151/ 1561-5405-2022-27-1-120-149
2. Макаренко С. И., Иванов М. С. Сетецентрическая война - принципы, технологии, примеры и перспективы: монография. СПб.: Наукоемкие технологии, 2018. 898 с.
3. Макаренко С. И. Информационное противоборство и радиоэлектронная борьба в сетецентриче-ских войнах начала XXI века: монография. СПб.: Наукоемкие технологии, 2017. 546 с.
4. Космические системы ретрансляции: монография / Н. А. Тестоедов, В. Е. Косенко, Ю. Г. Выгон-ский и др. М.: Радиотехника, 2017. 448 с.
5. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений / пер. с англ. А. В. Кирюшина, А. И. Демьяникова. М.: Техносфера, 2010. 560 с.
6. Бакланов А. И. Анализ состояния и тенденции развития систем наблюдения высокого и сверхвысокого разрешения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королёва. 2010. № 2 (22). С. 80-91.
7. Гарбук С. В., Гершензон В. Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Инженер.-технол. центр «СканЭкс»: А и Б, 1997. 296 с.
8. Кучейко А. А. Мировая отрасль космической съемки в итогах запусков спутников // Земля из космоса. 2016. № 6 (22). С. 55-65.
9. Свиридов К. Н., Тюлин А. Е. О проектировании оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Информация и Космос. 2018. № 4. С. 136-145.
10. Алябьев А. А., Коберниченко В. Г. Использование материалов радиолокационной космической съемки для информационного обеспечения мониторинга пространственных данных // Геодезия и картография. 2007. № 5. С. 37-45.
11. Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзо-ра космического базирования. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.
12. Тюлин А. Е., Бетанов В. В., Ларин В. К. Информационное обеспечение управления космическими аппаратами: системный подход к решению задач. М.: Радиотехника, 2019. 272 с.
13. Организация сквозного тракта телемостов с использованием многофункциональной космической системы ретрансляции «Луч» / К. В. Громов, Ю. Г. Выгонский, С. М. Роскин и др. // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. 2013. № 6 (52). С. 191-196.
14. Пат. 2503127 РФ. Многофункциональная космическая система ретрансляции для информационного обмена с космическими и наземными абонентами / Ю. Г. Выгонский, В. И. Лавров, В. А. Мухин и др.; заявл. 20.12.2011; опубл. 27.12.2013; Бюл. № 36. 15 с.
15. Благодарящев И. В., Антохин Е. А., Федулин А. М., Паничев В. А. Опыт применения имитационного моделирования боевых действий на базе технологий виртуальной реальности для оценки наземных робототехнических комплексов военного назначения // Робототехника и техническая кибернетика. 2019. Т. 7. № 2. С. 94-99. doi: https://doi.org/10.31776/RTCJ.7202
16. Федулин А. М., Садеков Р. Н. Алгоритм навигации беспилотных летательных аппаратов с учетом местоположения средств противовоздушной обороны // Изв. Института инженерной физики. 2020. № 3 (57). С. 79-84.
17. Федулин А. М., Никандров Г. В. Перспективы применения систем технического зрения для повышения автономности крупноразмерных беспилотных летательных аппаратов большой продолжительности полета // Роботизация Вооруженных Сил Российской Федерации: сб. статей V Воен.-науч. конф. (Анапа, 29-30 июля 2020 г.). Анапа, 2020. Т. 2. С. 58-65.
18. Системный анализ и организация автоматизированного управления космическими аппаратами: учебник / Ю. С. Мануйлов, А. Н. Павлов, Е. А. Новиков и др.; под общ. ред. Ю. С. Мануйлова. СПб.: Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, 2010. 266 с.
19. Усков А. А., Кузьмин А. В. Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. 143 с.
20. П. м. 191165 РФ. Бортовой терминал радиосвязи беспилотного летательного аппарата / Н. Н. Долженков, А. В. Абрамов, Д. Г. Пантенков и др. ; заявл. 21.03.2019; опубл. 26.07.2019; Бюл. № 21. 8 с.
21. Пантенков Д. Г., Ломакин А. А. Оценка устойчивости спутникового канала управления беспилотными летательными аппаратами при воздействии преднамеренных помех // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 11 (17). С. 43-50. ао1: https://doi.org/10.18127/|003 38486-201911( 17)-04
22. Егоров А. Т., Ломакин А. А., Пантенков Д. Г. Математические модели оценки скрытности спутниковых каналов радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами. Ч. 1 // Тр. учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 3. С. 19-26. doi: https://doi.org/10.31854/1813-324X-2019-5-3-19-26
23. Ломакин А. А., Пантенков Д. Г., Соколов В. М. Математические модели оценки скрытности спутниковых каналов радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами. Ч. 2 // Тр. учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 4. С. 37-48. doi: https://doi.org/10.31854/1813-324X-2019-5-4-37-48
24. Догерти М. Дроны: первый иллюстрированный путеводитель по БПЛА / пер. с англ.
B. Бычковой, Д. Евтушенко. М.: ГрандМастер: Э, 2017. 224 с.
25. Современные технологии радиомониторинга в спутниковых системах связи и ретрансляции / А. В. Кузовников, Н. А. Тестоедов, В. Г. Сомов и др. М.: Радиотехника, 2015. 216 с.
26. Иванкин Е. Ф. Информационные системы с апостериорной обработкой результатов измерений: монография. М.: Горячая линия - Телеком, 2008. 168 с.
27. Помехозащита радиоэлектронных систем управления летательными аппаратами и оружием: монография / В. Н. Лепин, В. Н. Антипов, А. Ю. Викентьев и др. М.: Радиотехника, 2017. 416 с.
28. Пантенков Д. Г. Результаты математического моделирования помехоустойчивости спутниковых систем радиосвязи при воздействии преднамеренных помех // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 5 (10).
C. 20-30. doi: https://doi.org/10.18127/j00338486-202005(10)-03
29. Пантенков Д. Г., Литвиненко В. П. Алгоритмы формирования и обработки радиосигналов командно-телеметрической радиолинии и технические предложения по их реализации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 2. С. 90-105. doi: https://doi.org/ 10.25987^8Ти.2020.16.2.014
30. Цветков К. Ю., Акмолов А. Ф., Викторов Е. А. Модель канала управления передачей смешанного трафика речи и данных в разновысотной системе спутниковой связи // Информационно-управляющие системы. 2012. № 3 (58). С. 63-70.
31. Журавлев В. И., Руднев А. Н. Цифровая фазовая модуляция: монография. М.: Радиотехника, 2012. 208 с.
Статья поступила в редакцию 21.10.2021 г.; одобрена после рецензирования 09.02.2022 г.;
принята к публикации 04.05.2022 г.
Информация об авторах
Пантенков Дмитрий Геннадьевич - кандидат технических наук, заместитель главного конструктора по радиосвязи АО «Кронштадт» (Россия, 123060, г. Москва, 1-й Волоколамский проезд, 10, стр. 1), pantenkov88@mail.ru
Гусаков Николай Васильевич - кандидат технических наук, заместитель генерального директора АО «Научно-исследовательский институт современных телекоммуникационных технологий» (Россия, 214012, г. Смоленск, ул. Ново-Ленинградская, 10), N.V.Gusakov@mail.ru
Ломакин Андрей Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий инженер АО «Кронштадт» (Россия, 123060, г. Москва, 1-й Волоколамский проезд, 10, стр. 1), lomakinandrej@yandex.ru
References
1. Pantenkov D. G., Gusakov N. V., Lomakin A. A. Review of the current state of the orbital groups of remote sensing spacecraft and information relay spacecraft. Review article. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 1, pp. 120-149. (In Russian). doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-1-120-149
2. Makarenko S. I., Ivanov M. S. Netcentric warfare - principles, technologies, examples, and prospects. St. Petersburg, Naukoyemkiye tekhnologii Publ., 2018. 898 p. (In Russian).
3. Makarenko S. I. Information confrontation and electronic jamming in the netcentric warfare of the beginning of the 21st century. St. Petersburg, Naukoyemkiye tekhnologii Publ., 2017. 546 p. (In Russian).
4. Testoyedov N. A., Kosenko V. E., Vygonskiy Yu. G., Kuzovnikov A. V., Mukhin V. A., Chebotarev V. E., Somov V. G. Space relay systems. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2017. 448 p. (In Russian).
5. Schowengerdt R. A. Remote sensing. Models and methods for image processing. 3rd ed. San Diego, CA, Academic Press, 2007. 560 p. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-369407-2.X5000-1
6. Baklanov A. I. Status analysis and progress trends of high- and ultrahigh-resolution imaging systems. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S. P. Koroleva = Vestnik of Samara State Aerospace University named after Academician S. P. Korolev, 2010, no. 2 (22), pp. 80-91. (In Russian).
7. Garbuk S. V., Gershenzon V. E. Space-based Earth observing systems. Moscow, Inzhener.-tekhnol. tsentr "SkanEks" Publ., A i B Publ., 1997. 296 p. (In Russian).
8. Kucheiko A. A. World industry of orbital survey in the results of satellite launches. Zemlya iz kosmosa = Earth from Space, 2016, no. 6 (22), pp. 55-65. (In Russian).
9. Sviridov K. N., Tyulin A. E. On the design of optoelectronic equipment for Earth remote sensing spacecrafts. Informatsiya i Kosmos = Information and Space, 2018, no. 4, pp. 136-145. (In Russian).
10. Alyab'ev A. A., Kobernichenko V. G. The use of the radiolocation space survey materials for the information provision of the spatial data monitoring. Geodeziya i kartografiya = Geodesy and Cartography, 2007, no. 5, pp. 37-45. (In Russian).
11. Verba V. S., Neronsky L. B., Osipov I. G., Turuk V. E. Space-based radar systems of land survey. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2010. 680 p. (In Russian).
12. Tyulin A. E., Betanov V. V., Larin V. K. Information support for spacecraft control: system approach to problem solution. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2019. 272 p. (In Russian).
13. Gromov K. V., Vigonskiy U. G., Roskin S. M., Kuzovnikov A. V., Muhin V. A. Organization [of] through channel television space bridges with usage of multifunctional space system relaying "Luch". Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika M. F. Reshetneva = Siberian Aerospace Journal, 2013, no. 6 (52), pp. 191-196. (In Russian).
14. Vygonskij Ju. G., Lavrov V. I., Mukhin V. A., Matveenko S. P., Sivirin P. Ja. Multifunctional space relay system for data communication with space and terrestrial users. Patent 2503127 RF, publ. 27.12.2013, Bul. no. 36. 15 p. (In Russian).
15. Blagodarjaschev I. V., Antokhin E. A., Fedulin A. M., Panichev V. A. Application experience of military operation simulation based on virtual reality techniques for military robotic systems evaluation. Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika = Robotics and Technical Cybernetics, 2019, vol. 7, no. 2, pp. 9499.
(In Russian). doi: https://doi.org/10.31776/RTCJ.7202
16. Fedulin A. M., Sadekov R. N. Algorithm for unmanned aerial vehicles navigation based on the location of air defense equipment. Izvestiya Instituta inzhenernoyphiziki, 2020, no. 3 (57), pp. 79-84. (In Russian).
17. Fedulin A. M., Nikandrov G. V. Prospects for the use of vision systems to increase the autonomy of large-sized unmanned aerial vehicles of long flight duration. Robotizatsiya Vooruzhennykh Sil Rossiyskoy Federatsii = Robotization of the Armed Forces of the Russian Federation, 5 th military and scientific conference proceedings (Anapa, 29-30 July 2020), Anapa, 2020, pp. 58-65. (In Russian).
18. Manuylov Yu. S. (auth., ed.), Pavlov A. N., Novikov E. A. et al. System analysis and organization of automated spacecraft control. St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy, 2010. 266 p. (In Russian).
19. Uskov A. A., Kuz'min A. V. Intelligent control technologies. Artificial neural networks and fuzzy logic. Moscow, Goryachaya liniya - Telekom Publ., 2004. 143 p. (In Russian).
20. Dolzhenkov N. N., Abramov A. V., Egorov A. T., Lomakin A. A., Pantenkov D. G. Unmanned aerial vehicle radio terminal. Utility patent 191165 RF, publ. 26.07.2019, Bul. no. 21. 8 p. (In Russian).
21. Pantenkov D. G., Lomakin A. A. Assessment of stability of the satellite channel of control of unmanned aerial vehicles at influence of intentional interference. Radiotekhnika = Radioengineering, 2019, vol. 83, no. 11 (17), pp. 43-50. (In Russian). doi: https://doi.org/10.18127/j00338486-201911(17)-04
22. Egorov A., Lomakin A., Pantenkov D. Mathematical models of satellite communication systems with unmanned aerial vehicles and counter-means of radio control. Part 1. Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi = Proceedings of Telecommunication Universities, 2020, vol. 5, no. 3, pp. 19-26. (In Russian). doi: https://doi.org/ 10.31854/1813-324X-2019-5-3-19-26
23. Lomakin A., Pantenkov D., Sokolov V. Mathematical models of satellite communication systems with unmanned aerial vehicles and counter-means of radio control. Part 2. Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi = Proceedings of Telecommunication Universities, 2020, vol. 5, no. 4, pp. 37-48. (In Russian). doi: https://doi.org/ 10.31854/1813-324X-2019-5-4-37-48
24. Doherty M. J. Drones: An illustrated guide to the unmanned aircraft that are filling our skies. London, Amber Books, 2015. 224 p.
25. Kuzovnikov A. V., Testoyedov N. A., Somov V. G., Semkin P. V. et al. Modern radio monitoring technologies in satellite communication and relay systems. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2015. 216 p. (In Russian).
26. Ivankin E. F. Information systems with posterior processing of measurement results. Moscow, Goryachaya liniya - Telekom Publ., 2008. 168 p. (In Russian).
27. Lepin V. N., Antipov V. N., Vikent'yev A. Yu. et al. Interference protection of radio-electronic control systems for aircraft and weapons. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2017. 416 p. (In Russian).
28. Pantenkov D. G. Results of mathematical modeling of noise immunity of satellite radio communication systems under the influence of intentional interference. Radiotekhnika = Radioengineering, 2020, vol. 84, no. 5 (10), pp. 20-30. (In Russian). doi: https://doi.org/10.18127/j00338486-202005(10)-03
29. Pantenkov D. G., Litvinenko V. P. Algorithms of formation and processing of radio signals of command and telemetry radio lines and technical proposals for their implementation. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of Voronezh State Technical University, 2020, vol. 16, no. 2, pp. 90-105. (In Russian). doi: https://doi.org/10.25987/VSTU.2020.16.2.014
30. Tsvetkov K. Yu., Akmolov A. F., Viktorov E. A. Mathematical modeling of management channel organization for speech and data mixed traffic in multitude of satellites at miscellaneous height. Informatsionno-upravlyayushchie sistemy = Information and Control Systems, 2012, no. 3 (58), pp. 63-70. (In Russian).
31. Zhuravlev V. I., Rudnev A. N. Digital phase modulation. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2012. 208 p. (In Russian).
The article was submitted 21.10.2021; approved after reviewing 09.02.2022;
accepted for publication 04.05.2022.
Information about the authors
Dmitry G. Pantenkov - Cand. Sci. (Eng.), Deputy Chief Designer for Radio Communications, "Kronshtadt" JSC (Russia, 123060, Moscow, 1st Volokolamsky passage, 10, bld. 1), pantenkov88@mail.ru
Nikolai V. Gusakov - Cand. Sci. (Eng.), Deputy General Director, "Scientific Research Institute of Modern Telecommunication Technologies" JSC (Russia, 214012, Smolensk, Novo-Leningradskaya st., 10), N.V.Gusakov@mail.ru
Andrei A. Lomakin - Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Leading Engineer, "Kronshtadt" JSC (Russia, 123060, Moscow, 1st Volokolamsky passage, 10, bld. 1), lomakinandrej@yandex.ru
