Помехоустойчивость радиолиний привязки летно-подъемных средств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

TECHNICAL SCIENCE

УДК 621.391

Якушенко Сергей Алексеевич

доцент, кандидат технических наук, доцент Государственный университет аэрокосмического приборостроения

(г. Санкт-Петербург) Снежко Виктор Канистратович доцент, кандидат технических наук, доцент Забело Александр Николаевич доцент, кандидат военных наук Антонов Владимир Владимирович старший преподаватель Веркин Сергей Сергеевич преподаватель, кандидат технических наук Егрушев Владимир Евгеньевич преподаватель, кандидат технических наук Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного

(г. Санкт-Петербург) DOI: 10.24411/2520-6990-2020-12007 ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РАДИОЛИНИЙ ПРИВЯЗКИ ЛЕТНО-ПОДЪЕМНЫХ СРЕДСТВ

Yakushenko Sergey Alekseevich

Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor State University of Aerospace Instrumentation (Saint Petersburg)

Snezhko Victor Kalistratovich Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Zabelo Alexander Nikolaevich Associate Professor, Candidate of Military Sciences Antonov Vladimir Vladimirovich

Senior Lecturer

Verkin Sergey Sergeevich

Lecturer, Candidate of Technical Sciences

Egrushev Vladimir Evgenievich

Lecturer, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny (Saint Petersburg)

INTERFERENCE RESISTANCE OF RADIO LINKS FLIGHT-LIFTING EQUIPMENT

Аннотация.

В статье рассматриваются способ оценки помехоустойчивости радиолиний «летно-подъемное средство-наземный пункт приема» при воздействии внешних дестабилизирующих радиоэлектронных факторов, факторов, вызванных движением станции и узкой диаграммой направленности антенны. Предложенный способ основывается на вероятностно-временных характеристиках и учитывает энергетические параметры радиолинии привязки, технологии передачи и приема сигналов и защиту от помех. Abstract.

The article considers a method for evaluating the noise immunity of radio lines "flight-lifting vehicle-ground receiving point" under the influence of external destabilizing radio-electronic factors, factors caused by the movement of the station and a narrow antenna direction diagram. The proposed method is based on probability-time characteristics and takes into account the energy parameters of the binding line, signal transmission and reception technology, and protection from interference.

Ключевые слова: помехоустойчивость, энергетические характеристики, радиолиния привязки, летно-подъемное средство, ретранслятор связи.

Key words: noise immunity, energy characteristics, binding radio line, flight-lifting vehicle, communication repeater.

TECHNICAL SCIENCE / <<Ш1ШМУМ~^®УГМа[к>>#Щ7©)),2©2(1

Введение

Летно-подъемных средства (ЛПС) с ретрансляторами связи (РС) находят широкое применение в современных системах мониторинга и управления объектами. Посредством РС обеспечивается связь с наземными пунктами приема (НПП), т.е. функционируют линии воздух-земля (линия привязки). Привязка, как правило, осуществляется с помощью радиорелейных средств связи (РРС), которые могут подвергаться воздействию как непреднамеренных, так и преднамеренных помех. Это связано с тем, что открытость среды распространения радиоволн в линиях привязки РС и сложность электромагнитной обстановки мегаполисов способствуют внешнему деструктивному радиоэлектронному воздействию (ДСРВ), которое ухудшает помехоустойчивость (ПМУ) радиолиний и нередко приводит к их техническому сбою [1, 3, 6]. Более того, характерной чертой современной геополитической обстановки является международный кибертерроризм [2], объектами атаки которого являются и радиолинии РС. Таким образом проведенный анализ показывает, что в настоящее время угроза воздействия на линии привязки РС остается. Для выработки мер защиты таких линий требуется не качественная, а количественная оценка этой опасности, которой в настоящее время нет. Поэтому работа посвящена количественной оценки ПМУ радиолиний привязки РС ЛПС.

Оценка помехоустойчивости радиолиний связи

Помехоустойчивость определяется видом линий связи и воздействия (открытые, закрытые), соотношением энергетик линий связи и подавления, соотношением протяжённостей линий, количественными значениями мер защиты от помех, соотношением мощностей помехи и собственного шума приёмника. Требуются количественные оценки все этих значений.

Создание преднамеренных помех для радиолиний привязки ЛПС наземными средствами неэффективно. Поэтому для этого используют помехи, создаваемые с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а в некоторых случаях забрасываемыми передатчиками помех. Средства используемые в радиолиниях привязи и радиоэлектронного воздействия разные, отличающиеся между собой множеством технических характеристик, от которых зависит ПМУ. Следовательно, анализ ПМУ целесообразно проводить для гипотетических радиолиний привязки и радиолиний ДСРВ, обладающих некоторыми усредненными характеристиками. Такой подход позволяет лучше определить эффективность различных путей повышения ПМУ и выработать рекомендации по их использованию в радиолиниях привязки различных классов.

Рассмотрим, прежде условие ДСРВ против радиолинии привязки РС с беспилотного летательного аппарата, как наиболее эффективное. Такую ситуацию в дальнейшем будем называть «стандартной дуэльной ситуацией». В этом случае будем рассматривать только шумовую помеху со спектром А/р, согласованную по ширине спектра с сигналом радиорелейной линии (РРЛ) привязки А/С, т. е. А/ и А/С.

Уровень помехи, действующий на РРС линии привязки ЛПС, будет определяться: дальностью до источника помех, видом помехи, а её эффективность: вероятностью успешного мониторинга необходимого количества параметров РРС линии привязки; видом сигнала и способом передачи информации. Помехоустойчивость РРС линии привязки ЛПС характеризуется ее способностью обеспечить требуемое качество связи в условиях воздействия преднамеренных помех противника (в данном случае это помехозащищенность). Для оценки различных способов борьбы с помехами используются такие показатели помехозащищенности (ПМЗ) как вероятность связи в условиях помех, степень снижения надежности связи или запаса энергетического потенциала.

Под показателем степени снижения надёжности KN понимается отношение вероятности обеспечения связи с заданным качеством в условиях помех pc на заданной дальности от источника помех в стандартной помеховой ситуации к надежности связи при отсутствии преднамеренных помех pco.

Kn = Pc/pco. (1)

Под показателем запаса энергетического потенциала РРС линии привязки ЛПС на помехозащищенность или энергетическим показателем понимается необходимое приращение энергетического потенциала на интервале РРЛ Ддп, при котором надежность интервала при наличии преднамеренных помех на заданной дальности от их источника в стандартной помеховой ситуации pc равна надежности связи на интервале без помех pco. При этом, естественно, pco возрастает и искомый энергетический запас Ддп может быть определен, как разность запасов энергетических потенциалов интервала на замирания в помеховой дзп и беспоме-ховой дз ситуации:

Д?п = ?зп - ?з. (2)

В ряде случаев все три показателя pc, Kn, Ддп используются одновременно, однако для сравнительной оценки способов борьбы с помехами целесообразно использовать один из них.

Проанализируем влияние на помехозащищенность, прежде всего, рельефа местности, удаления от станции помех и характеристик станций. Для этого удобно рассматривать вероятности связи в условиях помех pcu., т. е. вероятность того, что отношение мощности сигнала Pc вх к мощности помехи Рп на входе подавляемого приёмника РРС будет больше коэффициента помехозащиты Кпз. Коэффициент помехозащиты, один из основных показателей защищённости РРС от помех, есть минимальное отношение сигнала Pc вх к помехе Рп на входе приёмника РРС для заданного режима работы и заданной пропускной способности при котором обеспечивается требуемое качество связи. Из

определения Кпз следует, что Кпз = (Pc вх/Рп)шт.

Величина p^ определяется из уравнения:

p™ = p(Pc вх - Рш S ^ Кпз), (3)

где Pc вх - уровень мощности сигнала на входе приемника; Pin s - эквивалентный уровень суммарной мощности шума и помехи на входе приемник.

Уровень мощности сигнала на входе приемника определяется по первому уравнению связи [1, 7, 9]

Рс вх = Рпд + Сдд(фн) - пм + бпмСфл), (4) где Рпд - мощность сигнала, излучаемого антенной передатчика радиолинии привязки в направлении приемника ЛПС; Жх пм - суммарное затухание сигнала на радиолинии привязки; Опд(фн), Опм(фл) - коэффициент усиления передающей (приемной) антенны радиолинии привязки по рассматриваемому азимуту.

Величины Рс вх и Рш х являются случайными и распределены по-логарифмически - нормальному закону. Случайность Рс вх обусловлена замираниями сигнала. Случайность Рш х обусловлена флук-туациями коэффициента усиления антенн вокруг среднего значения в зависимости от направления прихода помехи, а следовательно и флуктуациями мощности помехи.

Параметры Рш х определяются не только значением мощности помехи на входе приемника радио-станциии Рп вх = /[Опд(фп), ста], но также соотношением мощности собственных шумов приемника и мощности помехи на входе демодулятора. Собственные шумы приемника и помеха являются гауссовыми шумами, первое с постоянным средним значением, вторая со случайным средним значением, подчиняющимися логарифмически - нормальному закону.

Величиной, определяющей вероятностный характер является бпд(ф), имеющий различные средние

ч

значения в зависимости от направления на РС. Значение коэффициента усиления параболических антенн также распределены по логарифмически - нормальному закону с параметром аа = 4 дБ [5].

Тогда вероятность ДСРВ в секторе Дф будет равна Дф/360. Отсюда полная вероятность связи в условиях помех, равна [4, 8]:

Рсп Ф Рсп Рсп гл + ^ p

p A9i

(5)

где рсп гл - вероятность того, что главный лепесток антенны РС направлен в сторону источника ДСРВ; рдф,- - вероятность того, что антенна РС будет находиться под углом ф к источнику помех по отношению к главному лепестку диаграммы направленности антенны (ДНА), т. е. в секторе Дф,-; Рсп гл и рмДф,- - вероятности воздействия с соответствующих направлений; N - количество оставшихся рассматриваемых участков (секторов мониторинга) без сектора главного лепестка ДНА.

Известно, что линейное преобразование случайной величины не меняет закона распределения, поэтому Рш х, также как и Рп вх, распределено по логарифмически - нормальному закону. Так как случайные величины Рс вх и Рш х в логарифмическом масштабе распределены нормально, то и разность их также распределена нормально со средне-квадратическим отклонением (СКО) от среднего значения [7, 9]

^Ши + Ъс2вх

где

аш z = 10_м

i

ln

exp ( 0,01а//м 2)

-1

1 ( exp (-0,01а 2/M2))

■ + 1

(6)

где М = 0,443 постоянный коэффициент.

Зависимость стх от отношения шум/помеха для разных значений ста приведены (рисунок 1).

4,0 3,6 3,2 2,8 2,4

2

1,6 1,2 0,8 0,4

0,01

0,1

10

Рш/Рп

Рис. 1. Зависимость их от отношения Рщ/Рп для оа: 1, 2, 3, 4

j=i

1

TECHNICAL SCIENCE / <<Ш^ШетиМ~^®УГМа[1>>#Щ7©)),2©2(1

Из рисунка 1 видим, что при отношении Рш/Рп меньше 0,1 с влиянием шума на сте можно не считаться. В этих условиях распределение случайной величины Рш е будет определять помеха. Отсюда вероятность связи в условиях помех при условии прихода помехи в секторе Дф,- будет равна:

Рс

0,5 + Ф0(х), еслих>0,5

(7)

0,5-ф(х),еслих<0,5' ( )

где

X =

J

^Ши + ^свх

(8)

Если считать помеху эквивалентной гауссову шуму, тогда суммарная мощность шума в приемнике, определяемая собственными шумами и внешней помехой будет равна:

1018 ( ^шпм + Рпвх ) ; (9)

р = Ю0'1[-204+Иш +Д/ш ].

1 шпм 10 ' (10)

Р = 1 п0,1[ Рпп +«пп-^пиЕ+^пз +«пм (ф)]

1 п вх 10 ' (11)

где Рпп - излучаемая мощность передатчика помех; Опп - коэффициент усиления антенны источника помех, пш - коэффициент шума приёмника; Д/ш - шумовая полоса пропускания приёмника; ^ппЕ - суммарное затухание помехи; Опм(ф) - коэффициент усиления приемной антенны РС в направление источника помех; Кпз - коэффициент подавления помехи, определяемый как:

Кпз = Кд + Кс + Кэ, (12)

где Кд - коэффициент подавления помехи демодулятором, Кс - коэффициент соответствия энергетического потенциала источника помехи энергетическому потенциалу источника помехи стандартной дуэльной ситуации, Кэ - коэффициент эффективности помехи по сравнению с гауссовым шумом.

Полная вероятность успешного ведения связи при равновероятном приходе помехи из любого направления в горизонтальной плоскости, или какого-либо ее сектора будет равна [4, 8]:

= Ргл Р

гл А/сп|гл

N

XP

Дф; -Тсп| Дф;

(13)

где ^сп|гл и рсп|Дф1 - вероятности постановки помех с соответствующих направлений.

В случае, когда возможно одновременное воздействие нескольких помех различных видов, рассчитывается суммарная мощность для каждой помехи, а затем вычисляется общая сумма. При последовательном воздействии М различных помех в

оцениваемый промежуток времени находится

из выражения [4. 8]:

M

РспИ =1 -X Pni (1 - Pcni ) >

(14)

i=1

где - вероятность воздействия помехи ,-го вида, рсш - вероятность успешного ведения связи в условиях помех 1-го вида.

Рассмотренная методика позволяет оценить помехозащищенность радиолинии привязки РС на ЛПС. По данной методике были проведены расчёты помехозащищённости радиолиний привязки.

Исходные данные для оценки ПМЗ: мощность передатчика линии привязки Рпд = 8 Вт; что соответствует 9 дБ; затухание фидера Шф = Wф пм = 1 дБ; коэффициент усиления антенны ОпД = Опм = 13 дБ; реальная чувствительность приёмника Ррч = 20 мкВ, что соответствует -113 дБВт, эксплуатационный запас Рэз = 2 дБ; тогда энергетический потенциал Мэ = 144 дБ; коэффициент помехозащиты (сюда можно включить все реализуемые меры защиты) задается от 10 до 35 дБ; диапазон частот 1500 - 2000 МГц (средняя частота 1750 МГц); высота полёта ЛПС Алпс = 10 км; высота антенны НПП hнии = 20 м; дальность связи определяется значением радиогоризонта Лрг (расчеты проводятся на расстояниях от 0,2 Лрг до 0,8 ^рг); параметры канала - дополнительное медианное затухание к свободному пространству (рельеф, лес, дожди, ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях), равны нулю, Шр = 0 дБ. Характеристики приёмника: вид сигнала, вид обработки, чувствительность входят в энергетический потенциал. Энергетический потенциал источника помех Рэп = Рпп + бп(ф) = 5.. .30 дБ. Антенны станций имеют диаграмму направленности (ДН) по азимуту круговую или направленную с шириной ДН главного лепестка 15 градусов, а по углу места 2-х лепестковую. Результаты расчётов, проведенные по методикам [1, 7, 9] представлены на графиках (рисунок 2-5).

<

сп

i=1

<<ш1кшетим~^®и©ма[1>>#щ7©)),2©2© / тбсимсль 80б]чсб

Рсп

0,95 0,8

0,6

0,4

0,2

50 100 150 200 250 300 350 400

Лп,км

10 15 20 25 30 35

Кш,дБ

Рис. 2. Зависимость вероятность связи в условиях по- Рис. 3 Зависимость дальности радиоподавления линии мех от дальности источника помех и коэффициента привязки от коэффициента помехозащиты и диспер-

Яп,км

помехозащиты линии привязки

сии сигнала

103

102

10

Л„,км

103

102

10

■рэп=5 ДБ,

10 14 18 22 24 28 32 36 Кш,дБ 10 14 ' 18 ' 22 24 28 32 36 Кш дБ

Рис. 4. Зависимость дальности подавления от коэффи- Рис. 5 Зависимость дальности подавления от коэффициента помехозащиты и вероятности связи (дально- циента помехозащиты и эффективной мощности пере-сти связи) датчика помех

Анализ результатов оценки помехозащищенности

1. На рис. 2 представлен график вероятности связи в условиях помех от дальности до источника помех при дисперсии сигнала на интервале связи ста = 5 дБ, коэффициенте помехозащиты Кпз 10 - 35 дБ и Инпп = 20 м. Высота полёта ЛПС 10 000 м. Затухание за счёт рельефа местности на интервале связи и подавления = 0 дБ. Из рисунка видно, что требуемая вероятность связи в условиях помех (надёжность связи) 0,95 обеспечивается на частоте 1750 МГц при дальности до источника помех не более 120, 180, 320, 500 и более 500 км при коэффициенте помехозащиты 35,30,25,20,10 дБ соответственно. Здесь рассмотрены открытые интервалы связи и помех, т.е. условия свободного пространства на обоих интервалах выполняются. Изменение частоты надёжность связи не меняет, так как одинаково меняется уровень сигнала и помехи в условиях свободного пространства.

2. На рис. 3 представлен график зависимости дальности радиоподавления сигнала источником

помех в линии привязки от ее коэффициента поме-хозащиты и среднеквадратического отклонения сигнала от его медианного значения ста = 1, 2, 3, 4, 5 дБ, / =1750 МГц, Ннпп = 20 м и = 0 дБ. Дальность подавления не более 200 км обеспечивается при коэффициенте помехозащиты не менее 23,5 - 26,5 дБ при всех сигмах. Как видим сигма сигнала не существенно влияет на дальность подавления, поэтому в дальнейшем (рис.4 и 5) рассматривалось только одно значение сигмы 1 дБ.

3. На рис. 4 представлен график зависимости дальности подавления от коэффициента помехоза-щиты и вероятности связи (дальности до ЛПС) на / =1750 МГц, при Инпп = 20 м и Жр = 0 дБ на каждой дальности соответственно, т.е. условия открытости интервала на каждой дальности выполняются. Дальность подавления не более 200 км обеспечивается при коэффициенте помехозащиты не менее 28 - 38 дБ при всех рассмотренных дальностях до ЛПС.

4. На рис. 5 представлен график зависимости дальности подавления от коэффициента помехоза-

1

1

TECHNICAL SCIENCE / <<Ш^ШетиМ~^®и©[Ш[1>>#Щ7©)),2©2©

щиты и эффективной мощности передатчика помех, f = 1750 МГц, ^пп = 20 м и Шр = 0 дБ. Дальность подавления не более 50 км обеспечивается при коэффициенте помехозащиты от 10 до 40 дБ в зависимости от эффективной мощности передатчика источника помех.

Заключение

На дальность подавления одинаково влияют дополнительное затухание за счёт рельефа на обоих интервалах, энергетика линии связи и линии помех. Важно не само значение энергетики, а соотношение энергетики линии связи и линии помех. Точно также важно не абсолютное значение затухания за счёт рельефа, а соотношение этих значений на линии связи и помех. Защитные свойства антенн так же влияют на соотношение энергетик линий связи и помех.

Главный вывод из всех расчётов заключается в том, что линия связи с ЛПС достаточно легко подавляется передатчиками помех с БПЛА, если в ней отсутствуют меры защиты от помех. Для практики также важен результат, связывающий дальность подавления одновременно с коэффициентом поме-хозащиты и протяжённостью интервала связи. Он показывает, что на любой дальности подавления разница на маршруте полёта в требованиях к средствам помехозащиты примерно одинаковая и составляет около 10 дБ. При дальности до средства подавления 200-300 км коэффициент помехоза-щиты должен лежать в пределах 14-28 дБ. Показано, что увеличение энергетики средств воздействия можно компенсировать равноценным увеличением мер помехозащиты.

В условиях открытых интервалов рабочий диапазон не влияет на помехозащиту, так как сигнал и помеха на входе приёмника станции привязки изменяются на одну и ту же величину, т.е. отношение сигнал/помеха не меняется. В условиях закрытости интервалов всё существенно изменится.

Полученные результаты можно использовать при оценке помехозащищённости радиолиний при-

вязки ЛПС к наземным пунктам привязки и обосновании коэффициента помехозащиты радиолинии ЛПС-НПП. Это важно при проектировании и эксплуатации линий мониторинга и управления посредством ЛПС в аэропортах и других объектах связанных с безопасностью воздушных перевозок, а также в зонах мониторинга и охраны с ЛПС трубопроводов, линий электропередач, экологических зон, лесов, рыбных хозяйств и других особо важных объектов.

Список литературы

1. Якушенко С.А., Сазонов М.А., Бибарсов М.Р. Радиорелейные и спутниковые системы передачи специального назначения. Часть 1: Учебник /в 2-х частях/ Под ред. С.А. Якушенко - СПб.: ВАС, 2015. - 484 с.

2. Оеополитика.ги. Некоторые аспекты кибертер-роризма. С. Лукавский 16.07.15. https://www.geopolit-ica.ru/article/nekotorye-aspekty-kiberterrorizma

3. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - 2-е изд., перераб. И до. - М.: Воениздат, 1989. - 350с.

4. Защита от радиопомех. - Под ред. Максимова М.В., М.: Советское радио, 1976.

5. Отчет 391 МККР. Документы XI пленарной ассамблеи. Осло, 1966, том IV часть 2, М.: Связь, 1969.

6. Концыняк М.А., Якушенко С.А., Веркин С.С., Дворовой М.О.. Теория и правщика защиты многоканальных сетей радиосвязи от системы комплексного воздействия. Часть 1. Модель противоборства систем воздействия и связи. - ВАС, 2007. - 76с.

7. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. - СПб: СПбГУТ, 1999 (СПб: ВУС, 1998).

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, -544с.

9. Якушенко С.А., Бондаренко С.А., Жирнов А.И. Проектирование цифровых радиолиний микроволнового диапазона. Учеб. пособие. - С-Пб.: ВАС, 2015. - 112 с.