CC BY
35И.А. Кулешов
кандидат военных наук, доцент,
первый заместитель генерального директора по научной работе ПАО «Интелтех»
С.А. Солозобов
кандидат технических наук, доцент, начальник НИО ПАО «Интелтех»
В.В. Шевченко
кандидат военных наук, доцент, начальник лаборатории ПАО «Интелтех»
МОНИТОРИНГ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОБСТАНОВКИ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ ВМФ
АННОТАЦИЯ. В статье представлены результаты исследования цифровых сигналов, возможности использования SDR-радиоприемников Perseus и AFEDRI в КВ диапазоне. Рассматриваются вопросы создания широко разветвленной сети SDR-радиоприемных устройств для мониторинга радиоэлектронной обстановки и приема сигналов от радиоэлектронных средств с глобально перемещающихся объектов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цифровые сигналы, SDR-технологии, SDR-радиоприемники, КВ диапазон, система связи, система мониторинга, радиоприемные центра.
Введение
Концепция программного радио Software Defined Radio (SDR) была сформулирована в середине 90-х годов. Быстрый прогресс сигнальных процессоров (DSP) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) дал импульс западному радио рынку по развитию SDR-радиоустройств как важной коммерческой технологии. SDR-радиоустройства привлекли внимание тем, что обеспечивают высокое качество голосовой связи на относительно недорогом оборудовании радиовещания.
Телекоммуникационные системы, созданные с использованием SDR-технологий, могут обрабатывать несколько частотных полос в разных диапазонах, применять различные протоколы передачи, быстро изменять режим и вид работы. Системы перепрограммируемого радио SDR, потенциально могут настроиться на любую частоту диапазона в широком спектре частот с помощью всего лишь компьютерных программ обработки сигналов [1].
Европа, Северная Америка, Япония, Корея и Китай усиленно инвестируют развитие SDR-технологий.
В России SDR-технология только развивается. На начало 2015 года несколько компаний занимаются разработкой и производством SDR-оборудования. Радиолюбительские клубы и отдельные радиолюбители ведут радиообмен на нескольких десятках SDR-станций и радиоприемников.
Простейшее SDR-радиоприемное устройство стоит 2—3 тысячи рублей. Достаточно его подключить к персональному компьютеру, установить программу для приема нужного сигнала и можно слушать радиосигналы в эфире.
Прием и передача сообщений на дальние расстояния, работа всевозможными сигналами в сложной радиоэлектронной обстановке, применение сложных антенн для работы со слабыми сигналами увеличат стоимость SDR-оборудования.
Актуальность статьи заключается в показе возможности использования радиоприемных устройств, построенных на SDR-технологиях для мониторинга радиоэлектронной обстановки (РЭО) и применения ее для спецпотребителей.
Исследование возможного использования сети SDR-радиоприемников в военных целях проводится впервые.
Целью статьи является выявление возможности использования SDR-радиоприемников для мониторинга РЭО и разработка предложений по их применению в системе связи ВМФ. Объектом исследования являются различные типы SDR-радиоприемников в разных странах мира, подключение к которым осуществляется через Интернет.
Научно-методическое обоснование предложений заключается в том, что на основе проведенного авторами анализа приема контрольно-маркерных сигналов от SDR-радиоприемных устройств типа Perseus и AFEDRI в разных странах мира выявляются положения для мониторинга РЭО в интересах спецпотребителей.
О цифровых сигналах
Общепринято, что сообщение — это форма представления информации с помощью знаков, жестов, сигналов. Между людьми сообщения передаются в устной или письменной форме. Между устройствами сообщения передаются с помощью сигналов.
Изменение некоторой физической величины во времени, обеспечивающее передачу сообщений, называется сигналом.
Сигнал (в теории информации и связи) — это материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений. Любой сигнал обладает тремя основными параметрами: амплитудой, частотой и фазой или их комбинациями.
Стремительное развитие вычислительной техники, программного обеспечения для обработки сигналов, появление новых способов управления параметрами электромагнитных колебаний привели к появлению новых цифровых видов сигналов.
Для передачи сообщений в сложных условиях и на дальние расстояния разработаны сигналы, в которых сообщения передаются по частям на нескольких частотах. Каждый знак сообщения может передаваться на новой частоте.
Для повышения устойчивости сигналов применяется двойная модуляция — на первом этапе частотная телеграфия, а затем — непрерывная фазовая модуляция.
Изобретены узкополосные сигналы, с шириной спектра несколько Герц, которые мани-пулируются частотой 1—2 Герца. Это очень высокостабильные сигналы, позволяющие устанавливать и поддерживать связь на сверх-
дальние расстояния в сложной электромагнитной обстановке.
Цифровой сигнал Olivia, например, позволяет менять количество тонов от 2 до 256 и регулировать ширину полосы от 125 до 2000 Гц. В зависимости от количества тонов и ширины полосы меняется скорость передачи информации и помехоустойчивость канала связи.
Новые цифровые виды сигналов получили широкое развитие, и особенно, в радиолюбительском сообществе. Наиболее востребованными являются RRTYM, BPSK 31, BPSK 63, MFSK, SSTV, Olivia, ROS.
Основные виды цифровых сигналов представлены в табл. 1.
В сложной помеховой радиоэлектронной обстановке хорошо работают Olivia и ROS.
Для сверхдальних связей на десятки тысяч километров малой мощностью разработан JT65-HF. Он имеет мощность порядка 5 Вт и обеспечивает радиосвязь с отражением сигналов от Луны.
SSTV позволяет на коротких волнах передавать цветные факсы на дальние расстояния и используется при освоении космического пространства.
Цифровые сигналы широко применяются для профессиональной радиосвязи в народном хозяйстве, на флоте, в Вооруженных силах, в дипломатии и, конечно, в радиолюбительской среде.
SDR-радиоприемные устройства, используя соответствующее программное обеспечение, могут принимать и обрабатывать практически все цифровые виды сигналов.
Результаты исследования возможностей использования SDR-радиоприемников Perseus в КВ диапазоне частот
Для проведения эксперимента на компьютер была установлена программа Perseus v40a [2], позволяющая подключаться через Интернет к SDR-радиоприемникам по всему Земному шару.
С целью поиска и определения местоположения SDR-радиоприемников использовалась программа Find your QTH locator with Google Maps [2].
SDR-радиоприемники Perseus работают в диапазоне от 0 до 41,1 МГц и принимают следующие виды сигналов: AM (амплитудная модуляция аналоговая), SAM (медленная амплитудная модуляция), CW (частотная телеграфия со сдвигами 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц), RTTY
M
Таблица 1
Виды цифровых сигналов
Вид сигнала Расшифровка наименования Скорость передачи Полоса частот Модуляция Применение
BPSK31 и BPSK63 Двоичная фазовая манипуляция 31 бод (62,5 бод) 31 Гц (63 Гц) Двоичная фазовая манипуляция Проведение повседневных радиосвязей. Оптимальные частоты — выше 10 МГц. Не терпит фазовых искажений и тресков на НЧ диапазонах. Коррекция ошибок отсутствует, помеха искажает информацию. Дальность связи этим видом ограничена до 8000 км
SSTV Slow-scan television (цветной факс) Режим Martin Ml—114с; ScottieSl- 110 с; ScottieS2—71с. вкв, УКВ и ДЦВ Частотная модуляция Передача статических изображений SSTV широко применялась в освоении космического пространства, т. к. позволяла передавать изображения на значительные расстояния
JT65-HF Для проведения радиосвязей с отражением сигналов от Луны Частота манипуляции — 2,69Гц' Ширина спектра А-174Гц В-346Гц С-690Гц 65 тоновая частотная манипуляция без фазовых скачков Разработаны радиосвязи Земля — Луна — Земля. Позволяет проводить на КВ дальние и сверхдальние радиосвязи малой мощностью. Приемники и передатчики корреспондентов должны работать строго синхронно. Разнос между несущими — в режиме А- 2,69 Гц; В-5,38 Гц; С-10,76 Гц
MFSK- 16(8) Multi-Frequency Shift Keying — многочастотная манипуляция Скорости от 7.8 до 31.25 бод 15.625 Гц, 31.25 Гц Многочастотная манипуляция сдвигом частоты MFSK — совершенный, с малой мощностью, требует точной настройки частоты, дальность связи не ограничена и мало зависит от фазовых искажений, федингов, помех от других РЭС и многолучевое™. Применяется коррекция ошибок. Рабочая частота — 1838 кГц
Olivia Автор протокола Павел Ялоша, задумал его как гибрид MFSK 8 и 16 Olivia 8/250 v = = 31бод, Olivia 16/250-16 бод, а в Olivia 32/250—всего 8 бод от 125 до 2000 Гц Многочастотная манипуляция 8 тонов/250 Гц, 16 тонов/500 Гц и 32 тона/ЮООГц. Может быть 64 и 128/1000 Гц. Предназначен для работы в КВ диапазоне в условиях плохого прохождения на сверхдальние расстояния. Количество тонов от 2 до 256, регулируется полоса сигнала от 125 до 2000 Гц. Скорость ПРД и помехоустойчивость зависит от количества тонов и ширины полосы. Слабый сигнал не виден на индикаторе настройки. Полоса 1000 Гц и 2000 Гц для работы в общеизвестных участках и на УКВ. Contestia отличается от Olivia укороченным блоком данных — 32 бита и более компактной кодировкой символов (все латинские буквы, цифры и знаки препинания).
ROS Цифровой режим с растянутым спектром для обмена текстовой информацией 16 бод (15.625) и 1 бод (0.9765) 15.625 Гц на канал. Общая полоса — 2.2 кГц Последовательная односигнальная ЧТ и непрерывная ФМ, пауза между сигналами отсутствует Для связи на очень большие расстояния, когда наблюдается периодическое затухание сигналов и в условиях сильных помех. Достоинство ROS — это его способность синхронизироваться. Перед началом передачи полезной информации излучается последовательность из 20 символов. Приемник выполняет декодирование сигнала, если правильно приняты, как минимум, 12 из 20 символов. Скорость передачи 1 бод для использования в особенно тяжелых условиях со слабыми сигналами до — 35 дБ.
WSPR Вестник прохождения слабого сигнала 1,46 Гц 7 Гц 4-Р8К Эффективность до 28 dB (сигнал/шум). Двухминутные циклы ПРМ/ПРД. Требуется синхронизация ± 1 секунды. Работа малой мощностью (единицы Вт) на большие расстояния. Передача формализованных сообщений. Оценка трасс распространения слабых сигналов.
МТ63 Автор Павел Ялоша 100 знаков в минуту 1000 Гц 2000 Гц Многочастотная манипуляция 64 модулированных тона на знак. Восстановление знака при потере < 25 % информации (FEC).Распределение данных по спектру сигнала.
У.
СЛ
О ч о о
г 2Z
i О 2! и о с
ч s
и H
(О
о
(радиотелетайп), LSB (прием по нижней боковой полосе), USB (прием по верхней боковой полосе), FM (частотная модуляция), DRM (амплитудная модуляция цифровая).
Имеется возможность пользователю самостоятельно в режиме USER (режим пользователя) изменять полосу приема сигнала, передний и задний фронт фильтра для приема сигнала.
Для исследования была создана база более чем из 50-ти SDR-радиоприемников. Результаты подключения к ним следующие:
1) С территории Германии, Англии, Бельгии, Швеции, Финляндии (южная и центральная часть) на частотах 10,872; 13,528; 16,332 и 20,048 МГц слышны контрольно-маркерные сигналы (КМС) центрального узла связи (ЦУС) ВМФ и узлов связи (УС) Северного и Балтийского флотов (СФ, БФ) (утреннее время).
2) В Италии, Швейцарии, Греции на частотах 16,332 и 20,048 МГц слышны контрольно-маркерные сигналы ЦУС ВМФ и УС БФ (дневное время).
3) С территории Японии на частотах 7,039; 10,872; 13,528 МГц слышны контрольно-маркерные сигналы ЦУС ВМФ и УС Тихоокеанского флота (ТОФ) (дневное время).
4) Канадский SDR-радиоприемник VE6JY в Эдмонтоне на частотах 10,872 и 13,528 МГц 21.04.2015 г. в дневное время принимал контрольно-маркерные сигналы ЦУС ВМФ, а SDR-радиоустройство в Ванкувере на частоте 13,528 МГц — контрольно-маркерные сигналы УС ТОФ.
5) Услышать КМС на 6-ти SDR-радио-приемниках в США в дневное время не удалось.
6) На территории РФ зарегистрировано 3 SDR-радиоустройства в Санкт-Петербурге, Воронеже и Нахабино Московской области.
В дневное время на SDR-радиоприемнике в Нахабино на частотах 10,872 и 13,578 МГц удалось услышать КМС УС БФ. В Воронеже в дневное время на частоте 16,332 МГц доступны КМС УС СФ и БФ.
Вывод:
SDR-радиоприемники возможно использовать для контроля излучения своих радиопередающих устройств.
SDR-радио приемные устройства могут быть резервным каналом приема сигналов от РЭС на ГПО.
Создание широко разветвленной недорогой собственной сети SDR-радиоприемников по-
зволит иметь резервную сеть приема сигналов от РЭС на ГПО.
Факт подключения к радиоприемным устройствам с SDR-технологией будет зафиксирован их владельцами, что не приемлемо для спецпотребителей.
Время работы SDR-устройств определяется их владельцами и не всегда совпадает с потребностями лиц, заинтересованных в мониторинге радиоэлектронной обстановки.
Результаты ^следования возможностей использования SDR-радиоприемников AFEDRI в КВ диапазоне частот
Большинство SDR радиоприемников AFEDRI работают в следующих диапазонах 1,804— 1,996 МГц; 3,600-3,792 МГц; 5,237-5,428 МГц; 7,008-7,200 МГц; 14,130-14,322 МГц; 18,01918,211 МГц; 14,2976-14,5024 МГц; 144,976147,024 МГц; 431,976-434,024 МГц; 433,976436,024 МГц; 435,976-438,024 МГц; 10,368-10,370 ГГц. В разных странах в зависимости от производителей диапазоны приемников несколько отличаются от перечисленных диапазонов. Приемники могут иметь от одного до семи диапазонов частот.
Подключение к SDR приемникам AFEDRI осуществлялось через Интернет. Для этого на компьютере использовался браузер Mozilla Firefox. К SDR-радиоустройствам AFEDRI можно подключиться, установив на компьютер приложение Java version 7u51 или HTML.
Существуют мобильные версии для Android, позволяющие подключаться мобильным телефонам к SDR-радиоприемникам AFEDRI.
SDR-радиоприемники AFEDRI подключены к 116 серверам (на 30.04.2015 г) и зарегистрированы на сайте http://websdr.org [3].
Как правило, SDR-радиоприемники AFEDRI — это любительские приемные устройства радиоклубов, на которых работают несколько пользователей. Результаты работы, обычно, выкладываются в Интернет в виде журналов. В них видно, кто и когда подключался к приемнику, частоты приема, качество приема.
SDR-радиоприемные устройства AFEDRI, в отличие от Perseus, позволяют делать запись прослушивания принятых сигналов, которые затем можно обрабатывать, скачав с компьютера. Например, сигналы от спутников космической связи или от кораблей и др. ГПО.
Для исследования было отобрано 117 SDR-радиоприемных устройств AFEDRI. Однако радиоприемники AFEDRI позволяют принимать не все КМС:
— семь SDR-радиоприемных устройств АБЕ-DRI в Москве, Красноярске, Брянске, Вашингтоне, Бухаресте, Халкидиках — (всего 6 %) четко принимают контрольно-маркерные сигналы;
— уникальный голландский SDR-радио-приемник в Твенте (Ю32КБ) работает в диапазоне от 0 до 29,16 МГц. На частотах 10,872; 13,528; 16,332; 20,048 МГц в ЧТ он с хорошим качеством принимает ЦУС ВМФ, удовлетворительно — КМС УС СФ;
— пятьдесят пять SDR-радиоприемников (47 %) имеют диапазоны частот, не позволяющие принимать КМС, в том числе в России — 12, Германии — 6, США — 7, Англии — 4, Греции — 3, в других странах по 1—2 радиоустройству;
— более 20-ти SDR-радиоприемных устройств (11 %) в Англии, России, США, ЮАР, Бразилии и других странах не принимают КМС. Причина — недостаточный уровень сигнала и отсутствует соответствующая ориентация антенн;
— быстро (за 5—7 секунд) отключаются SDR-радиоустройства в РФ (К089ХС), Голландии (JO21UG), Германии [N47^), Чехии (JO60VR);
— требуют персональной регистрации SDR-радиоприемники в Латвии, Казахстане, Мексике.
Вывод:
1. Только отдельные SDR-радиоприемные устройства AFEDRI (всего 6 %) могут быть за-
действованы в сети радиомониторинга радиочастотной обстановки (РЧО).
2. В сети радиомониторинга РЧО, как резервной сети приема, обязательно нужно иметь возможность записи для последующего анализа принятых сигналов.
На основании проведенных исследований можно сделать следующий вывод, что SDR-радиоприемные устройства могут использоваться как резервный канал для приема сигналов от ГПО.
SDR-технологии в системе связи ВМФ
Основным средством приема сигналов от ГПО являются радиоприемные устройства приемных радиоцентров ВМФ. Другими источниками приема сигналов могут быть SDR-радиоприемники других ведомств и организаций на территории России.
Перспективным является предложение создать многоканальные широкодиапазонные SDR-радиоприемники, работающие в диапазоне частот ГПО, с обязательной записью принятых сигналов. В качестве антенн для многоканальных радиоприемников могут использоваться фазированные антенные решетки, позволяющие принимать сигналы с любого направления. Подобные разработки имеет ПАО «Интелтех» (рис. 1).
Сигналы от всех возможных источников приема по имеющимся каналам связи поступают на АРМ приема сигналов от ГПО и далее на пункт управления по каналам аппаратуры «Трасса-Э» для последующей обработки.
Ка на лооб разую щая аппаратура Привязка, доступ Программное обеспечение
РПУ ПАО «Интелтех» Локальная сеть Sweep
РПУ. доступные в Интернете Интернет Perseusv40A, Find Your QTH Locator with АРМ приема сигналов от ГПО на ПРЦ
РПУ на территории России Google Maps, Mozilla Firefox, Java Version 7u51
РПУ на ПРЦВМФ Линии внутренней связи КПД A.0002-01 (QNX)
Рис. 1. SDR-технологии в системе связи ВМФ (прием сигналов от мобильных объектов)
Рис. 2. Система мониторинга радиоэлектронной обстановки с использованием имеющихся РЭС
Перспективная система мониторинга радиоэлектронной обстановки с использованием SDR-радиоприемников в Интернете представлена на рисунке 2. Она включает автоматизированный центр сбора и обработки данных (АЦ СОД), программно-аппаратные комплексы радиомониторинга (ПАК РМ), SDR-радиоприемники и линии связи между ними [4].
АЦ СОД включает базу данных и модуль решения расчетных задач и предназначен для централизованного сбора и обработки сигналов от всех регионов (флотов). АЦ СОД позволяет оценить всю радиоэлектронную обстановку. В модуле решения расчетных задач определяется полоса оптимальных рабочих частот.
На АЦ СОД поступают сигналы от всех регионов (флотов), то это позволяет идентифицировать сообщение от одного абонента, принятое в распределенной системе мониторинга РЧО. При этом реализуется функция территориально-разнесенного приема и увеличивается вероятность приема сигнала от ГПО.
ПАК РМ служат для приема и обработки сигналов от ГПО на флоте или в своем регионе и постоянного мониторинга распространения радиоволн.
Кроме этой задачи, ПАК РМ постоянно, в реальном масштабе времени, осуществляют сбор и доведение до АЦ СОД статистических данных от следующих источников:
ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы ведомства;
ПАК наклонного зондирования ионосферы, в том числе и от международных центров зондирования;
мощных вещательных радиостанций мира; зарегистрированных абонентов КВ радиосети и других энергетически-доступных излучателей [4].
ПАК РМ необходимо размещать на приемных радиоцентрах флотов или оперативно-стратегического командования. Соответственно необходимо иметь ПАК РМ Север, Запад, Юг, Восток, Центр.
ПАК РМ должны соединяться каналами связи, в том числе через ОАЦСС, с АЦ СОД и соседними ПАК РМ. Это позволит при нарушении прямых связей с АЦ СОД иметь обходные направления связи, что повышает живучесть системы.
ПАК РМ — Интелтех предполагается использовать на этапе разработки и внедрения системы мониторинга. Для мониторинга радиоэлектронной обстановки на всех флотах ПАО «Интелтех»
необходимо иметь основной и резервный многоканальные SDR-радиоприемники. С учетом потребности объектов мониторинга необходимо иметь приемники на 250—300 каналов.
Кроме этого, с помощью Интернета или ведомственных каналов необходимо иметь подключение к SDR-радиоустройствам МЧС России, других силовых ведомств, любительских радиоприемников в стране и за рубежом. В настоящее время в МЧС РФ создается сеть связи на SDR-технологиях. Она позволит осуществлять мониторинг обстановки во всех, в т. ч. малонаселенных и малодоступных пунктах РФ, на побережье Северного Ледовитого океана. Подключение к этой сети позволит иметь достаточно разветвленную сеть радиомониторинга.
Программное обеспечение ПАК РМ должно позволять фиксировать и записывать все сигналы от ГПО на всех частотах излучения по разработанным отличительным признакам.
Заключение
SDR-радиоприемные устройства возможно использовать как резервный канал приема сигналов от РЭС с ГПО.
Создание широко разветвленной сети мониторинга РЭО с использованием имеющихся РЭС позволит создать резервную сеть приема сигналов от ГПО. Применение небольшого числа (до 10) многотрактовых SDR-радиоприемников позволит отслеживать всю радиоэлектронную обстановку в ВМФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Программно-определяемая радиосистема. http:\\ru.wikipedia.org./wiki/
2. Краткая инструкция на SDR Perseus. http:\\ www.cgdx.ru
3. Инструкция на SDR AFEDRI. http:\\websdr.org
4. Ю. Л. Николашин, И. А. Кулешов, П. А. Будко, Е. С. Жолдасов, Г. А. Жуков. SDR радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне частот // Наукоемкие технологии в космических исследованиях земли, №1, 2015, — С. 20—31.
