МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ НА РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ВОЕННО-МОРСКОГО ФЛОТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

УДК 621.396:621.391.825

Акулов В.С., Талагаев В.И., Угрик Л.Н.

Методология оценки влияния преднамеренных помех на радиотехнические системы

Военно-морского флота

Аннотация. Обеспечение устойчивости к преднамеренным помехам связных и измерительных радиотехнических систем Военно-морского флота (связи, локации, навигации и управления оружием) на протяжении последних десятилетий остается актуальной, важной и сложной научно-технической проблемой, как при их проектировании, так и при функционировании систем в реальных условиях. Цель статьи - разработка способа и методики численной оценки влияния преднамеренных помех на энергетические, временные и пространственные параметры радиотехнических систем при заданных требованиях к качеству их функционирования и зоне обслуживания. В работе использован математический метод анализа и выбора структуры и параметров радиотехнической системы, основанный на сравнительной численной оценке влияния преднамеренных воздействий на энергетические характеристики системы. Новизна предлагаемой методологии заключается в возможности абстрагироваться от заданных тактико-технических требований к системе и ее характеристикам и проведения численной оценки только её энергетических параметров в условиях преднамеренных помех. В статье разработан способ и математический аппарат оценки, приведен пример расчета по предложенной методике энергетических параметров и дальности связи длинноволновых радиоканалов систем связи, их устойчивости к преднамеренным помехам и получения её критических значений. Практическая значимость результатов работы заключается в возможности выбирать наилучшие варианты структуры радиотехнической систем для различных условий функционирования и воздействия на них сложных преднамеренных помех. Разработанная методика численной оценки может использоваться также в качестве математического обеспечения программных средств интеллектуальной поддержки проектировщиков радиотехнических систем и должностных лиц органов оперативного управления системами в условиях радиоэлектронного противодействия.

Ключевые слова: радиотехническая система, радиосвязь, радиолокация, радиоуправляемое оружие, радиоэлектронное подавление, преднамеренная помеха, устойчивость к помехам, энергетические параметры, зона обслуживания, дальность связи.

Введение

Создание крейсером «Изумруд» и миноносцем «Громкий» в русско-японскую войну (1903-1905 гг.) помех искровой радиосвязи японских кораблей положило начало радиотехнической разведке (РТР) и радиоэлектронному подавлению (РЭП) помехами связных и измерительных радиотехнических систем: радиосвязи, радиолокации и, в дальнейшем, систем управления оружием. Цель создания преднамеренных помех -нарушение передачи управляющей информации и затруднение определения координат и параметров движения морских и воздушных объектов. На опыте первой и второй мировых войн дальнейшее развитие методы и средства РТР и РЭП радиоканалов (РК) радиотехнических систем получили в послевоенные годы [1].

В настоящее время совершенствование радиоэлектронной и вычислительной техники и бурное развитие радиоуправляемого оружия привело к существенному изменению значения и характера использования радио в боевых действиях на море. В военных доктринах ведущих стран мира первым этапом любого вооруженного конфликта становится радиоэлектронная борьба, предполагающая проведение комплекса организационно-технических мероприятий по выявлению РТР радиоэлектронных систем связи и управления силами и оружием эвентуального противника, их огневому и радиоэлектронному подавлению, а также радиоэлектронную защиту своих систем управления, радиосвязи и радиолокации от преднамеренных помех [2-4].

Поэтому в исследовательском плане актуальной и важной проблемой для разработчиков радиотехнических систем ВМФ становится создание методологии численной оценки устойчивости к помеховым воздействиям и их влияния на выбор энергетических параметров и зон обслуживания [5, 6]. В работе предложен методологический подход к сравнительной численной оценке свойства устойчивости к преднамеренным помехам и способ выбора структуры и энергетических параметров проектируемых помехоустойчивых радиотехнических систем ВМФ.

Постановка задачи

Рассмотрим ситуацию, когда на РК радиотехнической системы, например, на РК системы связи действуют два вида помех: случайные, обусловленные естественным фоном и собственными шумами приемного устройства, и сложные преднамеренные помехи, создаваемые противоборствующей системой. Преднамеренные помехи имеют заданную мощность Рк в полосе частот сложного сигнала ¥. Предполагается, что полезный сигнал и преднамеренная помеха обладают равномерными спектрами. На практике это часто встречающийся случай, поскольку при этом система «постановщик помех - приемник РК» находится в динамическом равновесии, когда ни одна из сторон не получает дополнительного выигрыша в изменении помехоустойчивости [7]. Случайные естественные помехи задаются спектральной плотностью Ып и также имеют равномерный спектр.

Задачей работы является создание формального аппарата для получения численных значений энергетических параметров РК и их устойчивости к естественным и преднамеренным помехам с примером инженерного расчета.

Методология оценки устойчивости и энергетических параметров РК

В описанной ситуации при квадратурном приеме и накоплении сигнала отношение сигнал/помеха к2 на входе приемника РК определяется выражением [8, 9]

Р

к' = ~Тм • (1)

Рк | "

¥Т Т

о

где: р - мощность сигнала. Значение к определяется требованиями к характеристикам

РК и качеству доставки сигналов по РК. Далее будем считать это значение заданным.

Выражение (1) имеет ясный физический смысл. Оба члена знаменателя содержат спектральные плотности составляющих помехи. Плотность преднамеренной помехи, равномерно распределенной по полосе сигнала ¥, составляет На = Ра / ¥. Обе составляющие помехи обрабатываются в приемнике путем накопления энергии в течение длительности единичного сигнала Т .

Для анализа энергетических характеристик системы выражение (1) удобнее переписать в виде

± = N»11 +1 Рк (2)

к2 Ps В р/

где введена база сигнала В = ¥Т.

Будем считать, что при отсутствии преднамеренной помехи, когда р = 0, должно

обеспечиваться такое же отношение сигнал/помеха к2, но требуемая мощность сигнала теперь будет Р^

.1 = . (3)

к2 Р^о

Исключив с помощью соотношения (3) комбинацию ^ / Т из формулы (2), получим

Рь = К (Р —Р^),

(4)

где

Кь = В / Ь2. (5)

Поскольку равенство (4) получено непосредственно из соотношения (2), то оно обеспечивает указанное отношение Ь2. Вместе с тем оно связывает значение уровня мощности помех Рь и приращение уровня сигнала Ps — Р^о, необходимое для сохранения

требуемого значения отношения Ь2.

Для анализа следствий формулу (4) удобнее преобразовать к виду, содержащему только относительные величины

Ре

1 Р

Ь

+ 1.

(6)

^0 КЬ ^0

Для иллюстрации смысла выражения (6) рассмотрим гипотетический численный пример. Пусть В = 100, а Ь2 = 10, что соответствует среднему, используемому на практике, требуемому значению отношения сигнал/помеха. В данном случае коэффициент К^ = 10.

2

Если р = 0, то требуемая для обеспечения заданного значения Ь мощность сигнала Р = Рд. При включении преднамеренной помехи Рь , 10-ти кратно превышающей по мощности полезный сигнал Р^, указанное отношение нарушается. Но оно восстанавливается при увеличении вдвое излученной мощности Р передатчика РК, генерирующего сигнал. Если меры по борьбе с преднамеренными помехами не приняты, т. е. В = 1, то Кь = 0.1. В этом случае для компенсации преднамеренной помехи Рь , 10-ти кратно превышающей исходный сигнал Р^, потребуется не менее, чем 100-кратное увеличение

мощности сигнала.

Результаты детальных расчетов по формуле (6) приведены на рис. 1. Заметный выигрыш по мощности сигнала, требуемой для противодействия преднамеренной помехе, имеет место для значений устойчивости К^ > 10.0.

Р Р

1000

.41)

100-

10,

.0.3"* / / ^^ .1.0

100.0"

10

РЛ100

Рис. 1. Зависимости отношения мощностей полезного сигнала и преднамеренной помехи для различных значений коэффициента устойчивости РК

Напомним, что выполненный анализ основывался только на исходном отношении (1), которое записано в предположении о равномерности спектров как естественного фона, так и преднамеренной помехи. Никакие другие предположения здесь не допускались.

Определенный формулой (5) коэффициент К^, естественно можно назвать коэффициентом устойчивости РК к преднамеренным помехам, поскольку он однозначно определяет энергетические меры по противодействию преднамеренной помехе. Здесь, однако, имеют место некоторые неудобства. Первое неудобство связано с тем, что выражения (4) и (6) не являются простой пропорцией между мощностью помехи Р и

компенсирующей мощностью сигнала Р. Это связано с тем, что исходные выражения (1) или (2) содержат сумму помех. При выводе формулы (4) был исключен естественный фон N / Т. Он, однако, не был приравнен нулю, а заменен на мощность сигнала с помощью

выражения (3), поскольку предполагается, что естественный фон и отношение к2 заданы и неизменны. Второе неудобство определяется численными значениями коэффициента К .

Было бы нагляднее, если бы при В = 1, т. е. при отсутствии мер по борьбе с преднамеренными помехами, значение этого коэффициента составляло 0 или 1. Выше было

показано, что в этом случае К к = 1/ к2 .

Указанные неудобства компенсируются простотой соотношений (4) - (6). Вместе с тем данные соотношения однозначно определяют эффективность мер противодействия преднамеренным помехам в РК системы.

На практике не всегда существует возможность повысить энергию сигнала для обеспечения требуемой защиты от преднамеренных помех. В таких случаях приходится идти на контролируемое ухудшение других параметров РК. Проанализируем возможное уменьшение дальности качественной передачи сигнала при наличии преднамеренной помехи. Для этого рассмотрим ситуацию, схематично показанную на рис. 2.

Рк (Во - В) = РкРк1(.Во - В) Р5 (В) = Р5 РА(В) Р (В0) = Р5 Р1 (В0)

0 В Во

РЪ = Р8 РЪ1 РЪк = Рк РЕ1

Рис. 2. Схема противоборства радиотехнической системы со средствами РЭП

На рис. 2 в точке «0» находится источник сигнала с излученной мощностью Р^, = р5 Р^, а в точке « Ва » - источник преднамеренной помехи с излученной мощностью Р^ = р^Р^, где Р1 - единичная излученная мощность. Смысл безразмерных коэффициентов р5 и рк ясен из приведенных представлений.

Мощности сигнала и преднамеренной помехи на расстоянии В от источника соответственно составляют

Р (В) = р^1(В) ; (7)

Рк (Во - В) = Рк Рк1(Во - В), (8)

где Р и Р - мощности сигнала и помехи в этой же точке для единичной излученной мощности их источников. С учетом выражений (7) и (8) отношение (2) для этой точки в данном случае примет вид

±= I Т +1 ркрш( Яр - Я) (9)

Н 2 р5Р1(Щ в р8рл(К)

Для точки « Я0 » при отсутствии преднамеренной помехи отношение (14) составит

= Мп IТ . (10)

Н2 PsPsl( Яо)

С помощью равенства (10) исключим отношение Ып IТI р5 из выражения (9)

h2

х Psl( R0) Psi( R)

i Ph Phi(Ro -R)

(11)

BPs Psi( R)

Здесь подобрано соотношение шумовой помехи Nn / T и излученной мощности сигнала p таким образом, чтобы при отсутствии преднамеренной помехи заданное

2

отношение h выполнялось при R — R . Это и означает последнее преобразование.

Выражения (11) и (6) получены из исходного отношения (2) с помощью похожих рассуждений. В обоих случаях для исключения естественного фона Nn / T выполнена нормировка к ситуации отсутствия преднамеренных помех. Однако, в соотношении (11) присутствует дополнительный параметр R, поэтому оно не может следовать непосредственно из формулы (6).

При практических расчетах мощность сигнала и преднамеренной помехи определяется через напряженность поля в заданной точке. Примем, что законы распространения электромагнитных волн полезного сигнала и преднамеренной помехи совпадают, т. е.

Psi(R) — Phi(R) — R), (12)

где E\ (R) - напряженность поля для единичной излученной мощности .

С учетом предположения (12) из соотношения (11) следует уравнение относительно расстояния R

K

! E^(Rq)

EÎ(R)

ph Ei(R0 - R) = Q. (13) Ps E?(R)

Нетрудно убедиться, что при р^ — 0 решением уравнения (13) является расстояние Я — Я. Это расстояние, в соответствии с нашим предположением, является границей возможной зоны обслуживания системы, например дальностью связи При воздействии преднамеренной помехи эта граница «отжимается» от источника помех, т. е. решением данного уравнения оказывается значение Я < Я. Этот эффект тем больше, чем больше

значение рн и меньше коэффициент устойчивости к преднамеренным помехам К^. Это иллюстрируется приводимыми ниже результатами расчетов.

Пример расчета

В качестве зависимости щ (Я) примем зависимость, определяемую формулой Остина [10]. Считается, что эта формула справедлива для дневных условий в диапазонах длинных (ДВ) и сверхдлинных (СДВ) волн, используемых в системах морской радиосвязи. Формула Остина в настоящее время не применяется для практических расчетов поля ввиду ее недостаточной точности. Однако она может быть использована для сравнительных оценок, поскольку удовлетворительно описывает основные зависимости напряженности поля в ДВ и СДВ РК от дистанции связи.

Результаты иллюстративных расчетов с помощью численного решения уравнения (13) для частоты 20 кГц представлены на рис. 3. Естественно, что искомое значение расстояния Я

уменьшается с ростом уровня помехи р^ / р и с уменьшением коэффициента устойчивости РК к преднамеренным помехам К^ .

Разумеется, что приведенные результаты расчетов по возможному сокращению дальности связи вследствие действия преднамеренных помех в РК, нельзя непосредственно использовать при проектировании радиотехнических систем, поскольку для этого необходимо более детально и строго учитывать также законы распространения электромагнитных волн различных диапазонов. При проектировании широкополосной радиотехнической системы для выбора базы полезного сигнала В = ¥Т, а точнее коэффициента устойчивости РК к преднамеренным помехам К , нужно руководствоваться

не только приведенными рассуждениями. Чаще полоса ¥ определяется полосой пропускания передающей антенны и дисперсионными свойствами РК, а длительность единичного сигнала Т существенно зависит от требований к скорости передачи. Эти параметры необходимо учитывать особым способом дополнительно. В данной работе они

считаются заданными.

Я, Мм

-...... .....

" 10--... R,.=X Mm -......V

f=20 кГц \=3"

R-2 Mm

--—30—

■—Kji-q

» » I » » | » 1 I I I I I » ; >

I 10 р,/р.

Рис. 3. Зависимости дальности связи от отношения сигнал/помеха в точке приема при различных

значениях коэффициента устойчивости системы

Заключение

Представленная методология оценки влияния преднамеренных помех на энергетические характеристики РК радиотехнических систем ВМФ доведена до инженерных формул. Проведенные с их помощью расчеты могут оказаться полезными, поскольку они прямо связаны с физическими свойствами РК радиотехнических систем различного назначения. Можно, например, получить возможные граничные значения коэффициента устойчивости радиотехнической системы к широкополосным преднамеренным помехам с учетом которых можно сделать заключение о целесообразности проведения её проектирования и разработки. Способ оценки может быть использован также при выборе структуры проектируемых систем и энергетических параметров РК, при расчете помехоустойчивости и дальности обслуживания систем, функционирующих в условиях естественного шума и преднамеренных помех.

Литература

1. Рачков В.К., Михедько М.С., Макаров Д.М. Развитие способов радиопротиводействия в войне на море // Морской сборник. 1971. № 5. С. 27-31.

2. Таманский В. Радиоэлектронная борьба в планах США и НАТО // Зарубежное военное обозрение. 1985. № 7. С. 10-12.

3. Гранкин В.Я. Создание, задачи и способы РЭБ // Военная мысль. 1978. № 11. С. 41-42.

4. Памей А.И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1981. 152 с.

5. Талагаев В.И. Методологический подход к анализу и обеспечению устойчивости систем морской радиосвязи // Техника средств связи. 2015. № 4(143). С. 86-91.

6. Талагаев В.И. Управление системой связи и обмена данными ВМФ в условиях радиоэлектронного подавления // Техника средств связи. 2018. №. 4 (144). С.130-134.

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

С. 384.

8. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970. С. 375.

9. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. С. 275.

10. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972. С. 336.

References

1. Rachkov V.K., Mikhedko M.S., Makarov D.M. Development of methods of radio warfare in the war at sea. Marine collection. 1971. No. 5. Рр. 27-31.

2. Taman V. Electronic warfare in the plans of the USA and NATO. Foreign military review. 1985. No. 7. Pр. 10-12.

3. Grankin V.Ya. Creation, tasks and methods of electronic warfare. Military thought. 1978. No. 11. Pр. 41-42.

4. Pamey A.I. Electronic warfare. Military building. 1981. Pр. 3-4, 152.

5. Talagaev V.I. Methodological approach to analysis and ensuring the stability of marine radio communication systems. Communications technology. 2015. No. 4 (143). Pр. 86-91.

6. Talagaev V.I. Management of the Navy communication and data exchange system in the conditions of electronic suppression. Communications equipment. 2018. No. 4 (144). P. 130-134.

7. Varakin L.E. Communication systems with noise-like signals. Moscow. Radio and communications. 1985. Рр. 384.

8. Varakin L.E. Complex signal theory. Moscow. Sov. radio. 1970. Рр. 375.

9. Kharkevich A.A. The fight against interference. Moscow. Science. 1965, Рр.275. Рр. 336.

10. Dolukhanov M.P. Distribution of radio waves. Moscow. Communication. 1972.

Статья поступила 05 августа 2021 г.

Информация об авторах

Акулов Валерий Семёнович - Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК и СОИ и Р. Тел.: +7(812)542-90-54. E-mail: [email protected].

Талагаев Владимир Иванович - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, профессор Академии военных наук. Ведущий научный сотрудник ПАО «Интелтех». Тел. +7(812) 448-96-50. E-mail: [email protected].

Угрик Лариса Николаевна - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК и СОИ и Р. Тел.: +7(812)542-90-54. E-mail: [email protected].

Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.

Methodology for assessing the impact of intentional interference for Navy radio engineering systems

V.S. Akulov, V.I. Talagaev, L.N. Ugnk

Annotation. Setting the task: ensuring resistance to deliberate interference of communication and measuring navy radio engineering systems (communications, locations and weapons control) over the past decades remains an urgent, important and complex scientific and technical problem, both in their design and in the functioning of systems in real conditions. The purpose of the article is to develop a method and a mathematical apparatus for numerical assessment of the effect of intentional interference on the energy, time and spatial parameters of radio systems at given requirements for their quality of operation and service area. Methods used: a mathematical method of analyzing and choosing the structure and parameters of a radio engineering system, based on a comparative numerical assessment of the effect of deliberate effects on the energy characteristics of the system. Novelty: the novelty of the proposed methodology lies in the ability to abstract from the given tactical and technical requirements for the system and its characteristics and to conduct a numerical assessment of only its energy parameters in conditions of deliberate interference. Results: Method and mathematical apparatus of estimation is developed, example of calculation of long-wave radio channels of communication systems, their resistance to intentional interference and obtaining its critical values is given according to proposed method of energy parameters and communication range. Practical significance: the practical significance of the work results is the ability to choose the best options for the structure of radio systems for various operating conditions and the impact on them of complex intentional interference. The developed numerical evaluation technique can also be used as a mathematical support for software tools for intelligent support of designers of radio engineering systems and officials of operational systems control bodies in radio electronic countermeasures.

Keywords: radio system, radio communication, radar, radio-controlled weapons, electronic suppression, intentional interference, resistance to interference, energy parameters, service area, communication range.

Information about Authors Valery Semenovich Akulov - Candidate of Technical Sciences. Senior Researcher at the Research Center TT Navy KK and SOI and R. Tel.: +7 (812) 542-90-54. E-mail: [email protected]. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, 8, Kantemirovskaya St.

Vladimir Ivanovich Talagaev - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Professor of the Academy of Military Sciences. Leading researcher at PJSC «Inteltech». Tel. +7 (812) 448-96-50. E-mail: [email protected]. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, 8, Kantemirovskaya St.

Larisa Nikolaevna Ugrik - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher. Senior Researcher at the Research Center TT Navy KK and SOI and R. Tel.: +7 (812) 542-90-54. E-mail: [email protected]. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, 8, Kantemirovskaya St.

Для цитирования: Акулов В.С., Талагаев В.И., Угрик Л.Н. Методология оценки влияния преднамеренных помех на радиотехнические системы военно-морского флота // Техника средств связи. 2021. № 3 (155). С. 2-9.

For citation: Akulov V.S., Talagaev V.I., Ugrik L.N. Methodology for assessing the impact of intentional interference for Navy radio engineering systems. Means of communication equipment. 2021. No 3 (155). Pp. 2-9 (in Russian).