CC BY
78Современные способы борьбы с помехами в радиоэлектронных системах ракетно-космической
техники
A.М. МАТВЕЕВ
B.С. КОНИЩЕВ
АННОТАЦИЯ ABSTRACT
Исследованы алгоритмы компенсации помех и результаты их применения в радиосистемах передачи телеметрической информации, использующих шумо-подобные фазоманипулируемые сигналы. Описанные способы борьбы с помехами обеспечивают наиболее полную картину помеховой обстановки в каналах передачи информации радиоэлектронных систем ракетно-космической техники.
В ЗАВИСИМОСТИ от назначения и режима работы радиолинии, намерений противника, ресурса и возможностей его сил и средств радиоэлектронного подавления (РЭП) возможна постановка следующих видов помех:
• шумовая прицельная по частоте с шириной спектра, равной ширине спектра сигнала радиоэлектронных систем (РЭС), с непрерывным или прерывистым режимом излучения;
• шумовая заградительная по частоте или многочастотная (сеть «гармоник»), формируемая во всей или в части рабочей полосы частот РЭС и имеющая непрерывный или прерывистый режим излучения;
• шумовая скользящая по частоте со скоростью перестройки 10 МГц/мкс (в метровом диапазоне) до 100 МГц/мкс
The paper examines the algorithms of offsetting interference and the results of their employment in radio systems of tele-metric information transmission, which use noiselike phase-manipulated signals. The described ways of countering interference give the most comprehensive picture of the interference situation in data transmission channels of radioelectronic systems of space-missile equipment.
KEYWORDS
Signal processing, offsetting interference, radioengineering system.
(в дециметровом диапазоне и выше) в интервале «скольжения», соответствующем заградительной по частоте помехи, и с шириной спектра, равной ширине спектра сигнала РЭС;
• монохроматическая (немодули-рованная несущая) или многочастотная, имеющая от 2 до 30 спектральных составляющих («гармоник») в пределах ширины спектра подавляемого сигнала РЭС;
• хаотическая или регулярная импульсная прицельная по частоте с длительностью импульсов 0,1—3 мкс и скважностью более 2;
• импульсная прицельная по частоте, воспроизводящая псевдослучайные последовательности с периодами повторения от 20 мс до 1 с, длительностью импульсов 0,1—3 мкс и скважностью более 2;
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Обработка сигналов, компенсация помех, радиотехническая система.
• импульсная прицельная по частоте с интервальными кодовыми комбинациями из 2—5 импульсов длительностью 0,1—3 мкс, скважностью более 2 и минимальными интервалами между кодовыми комбинациями, равными длительности одной комбинации;
• помеха в виде несущей, формируемой в пределах полосы частот, занимаемой сигналом РЭС и модулированной по частоте или амплитуде одним, двумя или тремя напряжениями синусоидальной или пилообразной формы с параметрами модуляции, определяемыми для каждого типа РЭС из условия максимального влияния на его нормальное функционирование;
• помеха, имитирующая по структуре сигнал РЭС с задержкой или опережением модулирующей функции сигнала по фазе — от 0° до 360° или по времени — до одного периода повторения.
Из анализа данных, приведенных в модели воздействия РЭП, следует, что средства РЭП имеют достаточный энергетический потенциал и обеспечивают высокую оперативность постановки помех (от единиц до десятков секунд) после появления излучения в радиолиниях информационного обмена РЭС1.
Современные комплексы РЭП способны обеспечить значительное превышение уровня помех над уровнем полезного сигнала как на входе приемного устройства наземной станции РЭС, так и на входе бортового приемного устройства РЭС, что требует принятия специальных мер по повышению помехозащищенности РЭС в условиях воздействия комплексов РЭП противника. Учитывая то обстоятельство, что в современных РЭС используются шумоподобные сигналы (сигналами с расширенным спектром), а также предусматриваются специальные меры, основанные
Средства радиоэлектронного
подавления имеют достаточный энергетический потенциал и обеспечивают высокую оперативность постановки помех (от единиц до десятков секунд) после появления излучения в радиолиниях информационного обмена радиоэлектронных систем.
на применении случайной для противника смены параметров и структуры излучаемых сигналов, применение противником имитационных и ретранслированных помех связано с определенными трудностями2. В случае постановки противником имитационных и ретранслированных помех их воздействие при принятии указанных выше мер может быть сведено к действию шумовой помехи.
Вероятность ошибки элементарного символа является исходным для определения показателей качества функционирования РЭС 3. При этом в системах передачи информации эта вероятность зависит от отношения энергии (бита) символа (Еь) к спектральной плотности средней мощности шума (Л0). Эту величину будем использовать в дальнейшем для анализа эффективности применения тех или иных методов повышения помехозащищенности.
Наиболее распространенными практическими методами повышения помехозащищенности являются:
• использование шумоподобных сигналов;
• оптимальный прием сигналов;
• компенсация помех;
• помехоустойчивое (канальное) кодирование;
• применение обратной связи;
• использование оптимальной системы сигналов;
• повторение сообщений;
• разнесенный прием.
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ПОМЕХАМИ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
В современных РЭС данные методы используются уже не одно десятилетие и вместе с техническими показателями РЭС в совокупности определяют степень их помехозащищенности.
Задача приема сигналов на фоне мощных помех и белого гауссовского шума имеет широкое применение на практике. При этом помеха становится опасной, когда ее энергетическое превосходство над сигналом не менее чем величина расширения спектра.
В данном случае оптимальный приемник физически реализовать очень сложно, в результате широкое распространение получили так называемые компенсаторы помех, включающие дополнительные устройства защиты. С технической точки зрения такие устройства реализуются на базе полосовых адаптивных и неадаптивных фильтров и устройств, осуществляющих режекцию помех в спектральной области с использованием прямого и обратного преобразования Фурье.
Идею о компенсации помех конечной мощности впервые выдвинул советский ученый Николай Дмитриевич Папалекси в работе «Радиопомехи и борьба с ними», которая была издана в 1942 году. Суть метода заключается в использовании дополнительного канала приема (компенсационный приемник), антенна которого воспринимает только помеховые воздействия. Интенсивности и фазы помех в компенсационном приемнике и основном приемнике устанавливаются одинаковыми и противоположными соответственно. В результате помеха на выходе основного приемника компенсируется, а полезный сигнал остается неискаженным.
В условиях воздействия мощных преднамеренных помех можно применить ряд методов, которые позволят нам получить больший выигрыш в показателях эффективности применения РЭС по сравнению с тем, который достигается только за счет использования сигналов с расширенным спектром4.
Амплитудный (некогерентный) метод компенсации помех
Сущность данного метода проиллюстрирована на рисунке 1. Основной приемник содержит антенну А0, смеситель основного канала, усилитель промежуточной частоты и амплитудный детектор. В состав компенсационного приемника входят аналогичные элементы. Кроме того,
имеется местный гетеродин и вычитающее устройство. Компенсация достигается в вычитающем устройстве при условии, что помеховые сигналы, вырабатываемые детекторами начинают действовать в одно и то же время и имеют одинаковые длительности и огибающие.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема некогерентного метода компенсации помех
Для того чтобы эти условия выполнялись, требуется полная идентичность одноименных элементов в обо-
их каналах, а антенны А0 и Ак должны иметь диаграммы направленности РО(0) и ^к(0), удовлетворяющие равенствам:
/7,(6) = ^о(0) при 0 > О,50о < -О,50о
Здесь угол 0 — угол, отсчитываемый от максимума диаграммы направленности приемной антенны Ак, а 0О — ширина лепестка диаграммы направленности той же антенны. При использовании ненаправлен-
ной антенны компенсатора, схемы устройств, в которых осуществляется компенсация помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Обобщенная структурная схема некогерентного метода компенсации помех с ненаправленной антенной
В отличие от предыдущей схемы сигналы с выхода антенны АО поступают не только в смеситель основного канала, но и на вход компенсационного приемника, далее через направленный ответвитель, аттенюатор и фазовращатель подаются на сумматор, где они смешиваются с выходными на-
пряжениями антенны компенсационного приемника. Недостатком таких приемников является значительное уменьшение чувствительности. Преимуществом амплитудного метода является простота реализации и универсальность при защите от специально организованных помех.
Когерентный метод компенсации помех
Сущность когерентного метода состоит в том, что теми или иными средствами обеспечивается получение одинаковых по интенсивности и противоположных по фазе помехо-вых сигналов на выходах усилителей высокой или промежуточной частоты в основном и компенсационном каналах. Напряжения помех с этих усилителей, а также полезный сигнал ос-
новного радиоприемника подаются на сумматор. Поскольку усилители являются линейными преобразователями, помехи на выходе сумматора устраняются, а сигнал остается без изменений и используется для дальнейшей обработки. Полная компенсация помех без ослабления полезного сигнала достигается лишь при применении компенсационных антенн с диаграммами на-
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ПОМЕХАМИ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
правленности как при амплитудном методе компенсации.
В настоящее время для компенсации помех в РЭС военного назначения используются режекция помех в спектральной области с использованием алгоритма быстрого дискретного преобразования Фурье (БПФ)5. Это стало возможным благодаря высокой вычислительной эффективности работы данного алгоритма. Однако если в обрабатываемой смеси имеется резкий перепад корреляционной функции к нулю, тогда происходит появление боковых лепестков, вызванный эффектом Гиббса. Если использовать преобразование Фурье с окном (ОПФ), существует возможность снизить уровень боковых лепестков, но ценой ухудшения разрешающей способности, что может дать ошибку по всему восстанавливаемому сигналу на этапе обратного преобразования.
Огромным потенциалом обладает адаптивная цифровая фильтрация. К ней относятся алгоритмы, реализующие обработку сигналов во временной области и предназначенные для выделения принимаемых сигналов и оценки их параметров. При этом возможности цифровой фильтрации позволяют практически не накладывать ограничений на тип действующих помех, в условиях которых происходит прием и выделение сигналов.
Огромным потенциалом обладает адаптивная цифровая фильтрация. К ней относятся алгоритмы, реализующие обработку сигналов во временной области и предназначенные для выделения принимаемых сигналов и оценки их параметров. При этом возможности цифровой фильтрации позволяют практически не накладывать ограничений на тип действующих помех, в условиях которых происходит прием и выделение сигналов.
В РЭС методы обработки сигналов нашли широкое применение со времени появления первых дискретных логических микросхем.
Таким образом, современные достижения микроэлектроники и вычислительной техники, появление высокопроизводительных программируемых логических интегральных схем позволяет сделать реальным практическое применение самых сложных алгоритмов приема и обработки радиосигналов. Высокое быстродействие современных вычислительных модулей способствует продвижению методов обработки сигналов на все более высокие частоты.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Куприянов А.И., Сахаров А.В. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы: учеб. пособие. М.: Вузовская книга, 2007. 356 с.
2 Ряховский Е.П. Шумоподобные сигналы в каналах управления космическими аппаратами. Ч. 2. Принципы применения: учебное пособие. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2014. 223 с.
3 ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1980. 58 с.
4 Гладченко В.В. Космические радиотехнические комплексы / В.В. Гладченко, А.А. Корниенко, И.Ю. Лютынский; под общ. ред. Г.В. Стогова. МО СССР, 1986. 626 с.
5 Тузов Г.И. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; под ред. Г.И. Тузова. М.: Радио и связь, 1985. 264 с.
