CC BY
3
УДК 623
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-213-214
СИСТЕМЫ ОПОЗНАВАНИЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
М.С. Андрющенко, С.А. Сахнов, С.Н. Терешин
В работе представлен формализованный анализ систем опознавания принадлежности беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрен метод идентификации, реализованный по схеме системы «свой-чужой» с помощью мемристоров. Мемристор представляет собой элемент электрической цепи, сопротивление которого зависит от прошедшего через него заряда. После отключения напряжения в цепи мемристор не изменяет свое состояние, т.е. "запоминает" последнее значение сопротивления. Исследование возможности применения мемристоров в системе противодействия беспилотным летательным аппаратам позволить обеспечить ее избирательность по принципу «свой-чужой».
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, опознавание, мемристор, оценка, результат.
Совсем недавно, определение принадлежности объекта союзнику или противнику осуществлялось отличительными особенностями униформы или схем окраски. Такое опознавание является пассивным. Его разновидностью стало применение инфракрасных маркеров, позволивших проводить его и в ночных условиях. На рисунке 1 [1] представлено тепловизионное изображение танка М1ЛЪгаш8 с нанесенными холодными маркерами (на башне -прямоугольной формы, а на бортовой поверхности - в виде надписи "5Л>").
Рис. 1. Танк М1ЛЪтатч с нанесенными на его поверхность идентификационными маркерами инфракрасного
диапазона
При необходимости вид маркеров может оперативного изменяться с помощью адаптивных систем, основанных на применении элементов Пельтье [2, 3].
Активные электронные системы опознавания, использующиеся на военных и гражданских самолетах, получили название системы «свой - чужой» (ССЧ). Она состоит из двух подсистем. Первая называется запросчиком и используется на наземных станциях обнаружения (опознавания), а другая представляет собой ответчик (транспон-дер), который устанавливается на самолетах. Запросчик посылает импульсы на транспондер и запрашивает заранее определенный код. Если транспондер отвечает правильным кодом, он идентифицируется как «свой», а если нет, то как «чужой» (рисунок 2) [4].
Канал запроса
Рис. 2. Принцип построения системы «свой - чужой»
По каналу ответа кроме информации о государственной принадлежности может передаваться другая полезная информация: высота полета, сведения об остаточной автономности, бортовом номере объекта и т.д. По времени и направлению прихода ответного сигнала могут определяться дальность и угловые координаты летающего объекта.
Согласно [5] следует различать термины «распознавание» и «опознавание». Опознавание - это определение государственной принадлежности объекта наблюдения, то есть отнесение его к определенному государству, а распознавание состоит в определении типа или класса объекта [6].
Таким образом [5], опознавание можно представить как частный случай распознавания двух классов: «свой», «чужой», хотя в режиме правильного опознавания с помощью дополнительных кодов можно значительно расширить банк опознаваемых объектов до типов [6].
Эффективность систем автоматического опознавания может характеризоваться как вероятностными параметрами - вероятностью обнаружения, вероятностью правильного опознавания Рпоп и вероятностью ложных тревог Рлт , так и информационным - количеством информации, выдаваемой системой. Вероятность правильного обнаружения Рпоб и правильного опознавания Ргюп определяются выражениями:
Рпоб = Nпоб / N общ ; Рпоп = Nпоп / Nобщ
где Nпо6 и Nru>n - число правильно обнаруженных и число правильно опознанных целей; N^ - общее число целей в заданном объеме.
Вероятность ложных тревог Рлт за обзор (кадр) определяется выражением:
Р = N / N
лт очлт очи ?
где Nочлт - общее число ложных тревог; Nочи - общее число изображений в обзоре (кадре).
Информационный подход к оценке эффективности опознавания рассмотрен в [6].
Применительно к гражданской технике процедура опознавания производится в стандартизированном незашифрованном виде. Используемые при этом сообщения может принять и расшифровать любой, у кого есть соответствующее оборудование. В военных условиях сообщения шифруются и расшифровываются транспондерами и радиолокационными запросчиками с применением ключей безопасности для обеспечения целостности и предотвращения перехвата противником.
Для решения задач современного боя система опознавания должна отвечать ряду требований [4, 7, 8]:
1. Максимальная скорость процесса опознавания. Поскольку боевая ситуация меняется очень быстро, любая задержка в процессе опознавания может привести к потерям, в том числе и человеческим.
2. Высокая помехозащищенность как по запросному, так и по ответному каналам.
3. Защита от ложных срабатываний.
4. Устойчивость к имитации противником ответных сигналов.
3. Высокая пропускная способность (устойчивая работа при наличии в тактической зоне большого числа запросчиков и ответчиков);
4. Высокие точностные характеристики, разрешающая способность по дальности и угловым координатам;
5. Эксплуатационная надежность и малое время восстановления;
6. Характеристики системы должны быть согласованы с характеристиками системы обнаружения (опознавания), с которой она сопряжена. При этом максимальная дальность обнаружения (опознавания) должна быть больше или равна максимальной дальности обнаружения.
В связи с растущим использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) проблема идентификации и опознавания своих и вражеских аппаратов обостряется в связи с необходимостью принятия решений по противодействию им [9, 10].
Очевидным решением является оснащение БПЛА системами «свой-чужой». Их установка на большие БПЛА не вызывает больших трудностей. Так на БПЛА типа "Global Hawk" применяются стандартные авиационные ССЧ, позволяющие использовать международные воздушные коридоры [11].
Для малых БПЛА существует ряд особенностей [12]:
1. Ограничения по весу и объему.
2. Для большой и тяжелой платформы может потребоваться длинный кабель между транспондером и антенной. Более длинная длина кабеля означает меньшую доступную мощность на антенне. Функциональная совместимость требует определенной мощности передачи на антенне. Однако у небольшого БПЛА длина кабеля будет короче, поэтому между транспондером и антенной происходит меньшее затухание, что позволяет снизить мощность передачи транспондера на несколько дБ, при условии, что он обеспечивает минимум, необходимый на антенне.
3. Для больших БПЛА необходимо использовать двухканальный транспондер, в котором имеются две антенны - одна сверху и одна снизу фюзеляжа. На больших платформах фюзеляж может препятствовать передаче и приему. Разнесение обеспечивает покрытие транспондера как над, так и под самолетом по сравнению с одной антенной, установленной внизу. Для малых БПЛА с узким фюзеляжем возможно обеспечение необходимого вертикального покрытия с помощью только одной антенны.
4.БПЛА управляются на достаточно большом расстоянии по линии связи. Каналы связи подвержены внешним радиочастотным помехам. Независимо от того, намеренное это воздействие или непреднамеренное, оно может привести к сбою и потере управления. Секретные ключи для кодирования и декодирования находятся на борту и должны быть защищены от захвата противником.
Рассмотрим возможные пути реализации данных требований в части увеличения дальности действия, уменьшения размеров ССЧ, формирования уникальных идентификаторов, препятствующих их имитации противником, а также применения резервных каналов опознавания.
В работе [13] предложено для ССЧ использовать БПЛА-ретранслятор (разведчик), который направляется от наземного центра управления к целевому БПЛА с неизвестной принадлежностью. На «своих» аппаратах устанавливается маячок с известными характеристиками (рисунок 3).
Применение БПЛА-разведчика позволяет увеличить дальность опознавания в соответствии с указанными выше требованиями. Если у целевого аппарата обнаруживается маячок, то он опознается как «свой». В противном случае против целевого БПЛА применяются средства функционального подавления. Для управления данной ССЧ разработано специальное программное обеспечение, позволяющее подключаться к ретранслятору и отображать на карте местности опознанные БПЛА и соответствующие им данные GPS.
Применение в системах опознавания подходов, основанных на мониторинге MAC-адресов и идентификаторов, используемых бортовыми устройствами БПЛА [14], характеризуется различными уязвимостями, в том числе, связанными с кибербезопасностью.
В статье [15] представлен метод идентификации, реализованный по традиционной схеме ССЧ с помощью мемристоров. Мемристор представляет собой элемент электрической цепи, сопротивление которого зависит от про-
шедшего через него заряда. После отключения напряжения в цепи мемристор не изменяет свое состояние, т.е. "запоминает" последнее значение сопротивления. Отсюда и его название ("memristor"- memory resistor, резистор с памятью) [16, 17].
Для производства мемристоров используется технология магнетронного напыления [15] (см. рисунок 4).
f --
V
целевой БПЛА
Рис. 3. Маячок, установленный на БПЛА "Phantom 4 Pro'
Рис. 4. Установка магнетронного напыления AJA Phase II J, используемое для производства мемристоров
Предложенное решение отличается низкой стоимостью и высокой производительностью. Используя мемристоры, можно генерировать большое количество уникальных идентификаторов, используя всего несколько электрических компонентов. Данное техническое решение может быть внедрено в любые системы БПЛА без серьезных доработок, не влияя на характеристики их полета.
Наземная станция будет анализировать идентификаторы, генерируемые БПЛА, сравнивая их с мемри-сторными идентификаторами из базы данных. В результате, наземная станция сможет отличить дружественный БПЛА от аппарата противника. Кроме уникальности генерируемых идентификаторов данный метод характеризуется миниатюрностью применяемого бортового оборудования и может быть использован на БПЛА небольших размеров. Блок-схема разработанного решения представлена на рисунке 5.
\/
GSM/GPR5 модуль
Блок обработка
Базовая станция
\/
Матрица мемристоров
GSM/GPRS модуль
:
Блок обработки
Сигнал тревоги
Центр управления
GSM/GPRS Матрица модуль мемристоро!
f
~Г
Блок обработки
бортовое оборудование 6ПЛА
Рис. 5. Блок схема системы идентификации «свой-чужой» на основе применения мемристоров [15]
В качестве сети базовых станций предложено использование сети сотовой связи GSM/GPRS.
Система идентификации БПЛА разработана на основе применения одинаковых мемристоров. Один из мемристоров размещается на БПЛА, а другой остается на земле, в центре управления. На БПЛА устанавливается транспондер, который периодически передает свой идентификатор. Центр управления посылает сигнал запроса мемристору, установленному на БПЛА, и мемристору на земле. Этот сигнал может представлять собой последовательность импульсов напряжения. Затем измеряются и сравниваются реакции этих мемристоров (ток или сопротивление). Если результаты идентичны, БПЛА считается «своим». Если результаты разные - «чужим».
Предложенный метод основан на нескольких фактах, наблюдаемых при тестировании мемристоров. Различные напряжения, приложенные к одинаковым мемристорам, вызывают различные изменения их характеристик (тока или сопротивления). После этого их реакция при одинаковом возбуждении будет отличаться. Любая попытка использовать матрицу с захваченного БПЛА будет бесполезна, поскольку с этого момента ответ будет другим. Также любая попытка изготовить подобное устройство будет бесполезной, так как невозможно воспроизвести одинако-
вые условия процесса их изготовления [15]. Следует отметить, что в Российской Федерации разработана технология производства мемристоров [18].
Еще одним успехом отечественных ученых является разработка ССЧ для БПЛА. Холдинг «Росэлектрони-ка» Госкорпорации Ростех представил на выставке «Электроника России» новый малогабаритный приемоответчик для опознавания беспилотников [19]. Изделие работает на высоте до 5 км и расстоянии до 100 км от запросчика. Радиолокационный опознаватель разработан входящим в «Росэлектронику» НПП «Пульсар». Аппаратура работает со станциями, использующими российскую систему опознавания «Пароль». Опознаватель имеет вес не более 150 г и энергопотребление в 100 мВт. Это позволяет интегрировать изделие в широкую линейку беспилотников гражданского и специального назначения. В работе [6] была проведена сравнительная оценка структурной скрытности российскую системы опознавания «Пароль» и ССЧ, построенной с применением широкополосных сигналов (ШПС). Результаты оценки показали значительное преимущества применения ШПС.
По понятным причинам более подробные технические характеристики ССЧ, разработанной НПП «Пульсар» не раскрываются. Вместе с тем, рассмотренные в данной статье решения могут быть полезны при совершенствовании отечественных ССЧ.
Список литературы
I.Infrared ID Solutions. Reshet graf LTD official site. Mode of access: [Электронный ресурс] URL: https://www.infrared-id.com/Vehicle-ID (дата обращения: 10.05.2024).
2.Samuel Filipek, Peter Droppa. Thermo vision protection of military mobile technics/Proceedings of the Institute of Vehicles 3(99)/2014. P. 55-60.
3.Степанов В.В. Снижение заметности бронетанковой техники. Проблемы и решения / В. В. Степанов, М. С. Андрющенко, В. Г. Халитов // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2018. № 2(102). С. 114-122. EDN XQYCCT.
4.Ермак С.Н. Устройство и эксплуатация наземных средств системы государственного опознавания: учеб. пособие / С.Н.Ермак, С.Н. Касанин, О.А. Хожевец. Минск: БГУИР, 2017. 230 с.
5.Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984. 152 с.
6. Голик А.М. Усовершенствованная методика оценки эффективности систем опознавания объектов разведки, применяющих сложные сигналы / А. М. Голик, В. П. Ткаченко, О. И. Окуловский // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2012. № 2(72). С. 73-80. EDN PCCXQV.
7.Ogurtsov Maksym. Improved Friend-or-Foe Recognition Algorithm Development // 13th International Scientific and Practical Conference from Programming UkrPROGР'2022, October 11-12, 2022, Kyiv, Ukraine.
8. Сахнов С.А. Обоснование требований к подсистеме обнаружения БПЛА на основании оценки ее эффективности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 3. С. 183-188. DOI 10.24412/2071-6168-2024-3-183-184. EDN CYVTWQ.
9. Макаренко С.И. Противодействие беспилотным летательным аппаратам. Санкт-Петербург: Издательство «Наукоемкие технологии», 2020. 204 с.
10. Андрющенко М.С. Методика оценки эффективности системы противодействия беспилотным летательным аппаратам / М. С. Андрющенко, А. М. Голик, С. А. Сахнов // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2023. № 3(128). С. 104-107. DOI 10.53816/20753608_2023_3_104. EDN HLCGXG.
II. RQ-4B Global Hawk Block 30. Operational Test and Evaluation Report. Mode of access: [Электронный ресурс] URL: https://www.airandspaceforces.com/PDF/SiteCollectionDocuments/Reports/2011/June%202011/Day13/DOTE RQ4 Blk30. pdf (дата обращения: 10.05.2024).
12. Jim Davis. Guest blog: What's the difference between IFF and Micro IFF? [Электронный ресурс] URL: https://militaryembedded.com/avionics/navigation/guest-blog-whats-the-difference-between-iff-and-micro-iff (дата обращения: 10.05.2024).
13. Chang, Yunseok. "A Drone IFF and Tracking Algorithm with the Relay Drone and the Beacon System."
(2019).
14. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2024621837 Российская Федерация. Радиотехнические признаки беспилотных летательных аппаратов : № 2024621239 : заявл. 02.04.2024 : опубл. 25.04.2024 / И. М. Шмелев, А. М. Голик, М. С. Андрющенко [и др.] ; заявитель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации». EDN FUYABF.
15. O. Ionescu, C. Besleaga, V. Dumitru and E. Pricop, "UAV identification system based on memristor physical unclonable functions," 2020 12th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence (ECAI), Bucharest, Romania, 2020. P. 1-4.
16. Pershin Yuriy, Di Ventra, Massimiliano. (2010). Memory effects in complex materials and nanoscale systems. Advances in Physics - ADVAN PHYS. 60. 10.1080/00018732.2010.544961.
17. Мемристоры - новый тип элементов резистивной памяти для наноэлектроники / А. Гудков, А. Гогин, М. Кик [и др.] // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2014. № S (137). С. 156-162. EDN UYACAN.
18. В РФ создали платформу для производства в стране мемристорной памяти. Сайт Национальной Ассоциации нефтегазового сервиса. [Электронный ресурс] URL: https://nangs.org/news/it/v-rf-sozdali-platformu-dlya-proizvodstva-v-strane-memristornoj-pamyati (дата обращения: 10.05.2024).
19. Ростех создал миниатюрную систему «свой-чужой» для идентификации беспилотников. Пресс-релиз госкорпорации «Ростех». [Электронный ресурс] URL: https://rostec.ru/upload/iblock/d06/w1v6g5vw9tdw8yzsbpyh7jjq13gojpdt.pdf (дата обращения: 10.05.2024).
Андрющенко Михаил Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, 125тза@таИ. ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации,
216
Сахнов Сергей Алексеевич, майор, адъюнкт, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации,
Терешин Сергей Николаевич, полковник, адъюнкт, sergeyterechin@yandex. ru. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации
IDENTIFICATION SYSTEMS FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES M.S. Andryushchenko, S.A. Sakhnov, S.N. Tereshin
The paper presents a formalized analysis of identification systems for unmanned aerial vehicles. An identification method implemented according to the "friend or foe " system using memristors is considered. A memristor is an element of an electrical circuit whose resistance depends on the charge passing through it. After turning off the voltage in the circuit, the memristor does not change its state, i.e. "remembers" the last resistance value. Studying the possibility of using memristors in a system to counter unmanned aerial vehicles will ensure its selectivity according to the "friend or foe " principle.
Key words: unmanned aerial vehicle, identification, memristor, evaluation, result.
Andryushchenko Mikhail Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, 125msa@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Military Order of Zhukov Institute of the National Guard of the Russian Federation,
Sakhnov Sergey Alekseevich, major, adjunct, sakhnov_1992@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Military Order of Zhukov Institute of the National Guard of the Russian Federation,
Tereshin Sergey Nikolaevich, colonel, adjunct, sergeyterechin@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Military Order of Zhukov Institute of the National Guard of the Russian Federation
УДК 623; 534.222
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-217-218
ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ НА БОРТУ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
М.С. Андрющенко, С.А. Сахнов, С.Н. Терешин
В работе рассматриваются пути применения радиолокационных станций на борту беспилотных летательных аппаратов. Среди исследований в области обороны значительное внимание уделяется разработке РЛС с синтезированной апертурой для применения на БПЛА. В работе описывается портативная РЛС с синтезированной апертурой, установленная на борту БПЛА, разработанного силами специалистов Шведского агентства оборонных исследований (FOI). В состав системы помимо радара диапазона 5-6 ГГц также входят, датчики положения (GNSS/RTK) и ориентации (IMU) для генерации изображений с высоким разрешением. Результатом исследования стали предложения по совершенствованию радиолокационных станций, используемых на борту БПЛА.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, радиолокационная станция, радар.
Неоспоримой важнейшей особенностью боевых действий в специальной военной операции (СВО) является массовое применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1, 2].
БПЛА должны быть способны безопасно перемещаться в различных, в том числе неизвестных условиях. Для обеспечения надежности и безопасности они должны обнаруживать и избегать потенциальные препятствия, выбирать наиболее безопасные маршруты движения. Получение информации БПЛА должно быть обеспечено в различных условиях: задымленности, высокой влажности и тумана, воздействия солнечного света, в ночных условиях, что может быть серьезно затруднено при использовании многих традиционных методов зондирования [3].
В таких условиях радиолокационные системы обладают уникальными преимуществами. Они могут достаточно точно оценивать расстояние до объекта, измерить его скорость, используя эффект Доплера. В перечисленных выше сложных условиях наблюдения радары могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с оптическими системами, такими как камеры или лидары. Рассмотрим некоторые особенности использовании радиолокационных систем на борту беспилотных летательных аппаратов для расширенного восприятия полетной информации, с точки зрения восприятия, ситуационной осведомленности и навигации.
До сих пор визуальное восприятие с помощью оптических сенсоров с большим отрывом доминирует в коммерческих и военных БПЛА [3]. Последнее обусловлено в большей степени адаптацией коммерческих дронов к боевому применению за счет широкой доступности дешевых, небольших камер с высоким разрешением и встроенных модулей глубокого обучения, которые не требуют больших памяти и мощности бортовых вычислительных систем. Применение многоканальных систем зондирования, основанных на применении сенсоров, основанных на различных физических принципах, позволяет значительно повысить эффективность наблюдения [4, 5]. А включение в их состав РЛС в сочетании с алгоритмами машинного обучения позволяет проводить классификацию и идентификацию нескольких целей, например, путем анализа их микродоплеровских сигнатур [4, 6].
Актуальность применения бортовых РЛС возросла в связи с вовлечением БПЛА в контрбеспилотную борьбу [1, 7 - 9]. Радиолокационные системы позволяют значительно увеличить дальность обнаружения аппарата противника, а значит получить преимущество перед ним.
217
