Защита измерителей параметров сложных сигналов от имитирующих и перенацеливающих помех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2008 № 4 (34)

УДК 621.391.037

ЗАЩИТА ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ ОТ ИМИТИРУЮЩИХ И ПЕРЕНАЦЕЛИВАЮЩИХ ПОМЕХ

Д.Л. ХОДЫКО, С Б. САЛОМАТИН

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 18 июля 2008

Рассмотрен метод защиты измерителей параметров сигналов в радиоэлектронных системах с частотно-кодовым разделением сигналов от имитирующих и перенацеливающих помех. Проведен анализ метода защиты на основе двухэтапного адаптивного алгоритма обнаружения-измерения параметров помех в локальных частотно-временных областях. Рассмотрен пример применения метода защиты для комплексированных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS.

Ключевые слова: имитирующая помеха, локализация области функции неопределенности.

Введение

Современные радиоэлектронные системы (РЭС) работают со сложными сигналами и используют частотное или кодовое разделение. В условиях применения средств радиоэлектронной борьбы к РЭС предъявляются высокие требования к помехозащищенности. Применение помеховых сигналов, имитирующих полезный сигнал (имитирующая помеха) повышает эффективность подавления. Для достижения эффекта подавления имитопомеха и принимаемый сигнал должны находиться в области сильной корреляции по параметрам: доплеровская частота и задержка. Применение перенацеливающих помех, осуществляющих управление параметрами имитирующего сигнала, приводит к уводу по скорости и задержке [1], срыву слежения и поиску полезного сигнала. Замена в этих условиях измерителей параметров радиосигнала на менее точные, не зависящие от влияния помех электромеханические системы приводит к снижению точности работы системы [2].

Одним из методов защиты РЭС от имитопомех является управление работой (временная селекция) следящих измерителей дальности и скорости по результатам обнаружения-измерения параметров имитопомехи в локальных частотно-временных областях.

Схема системы защиты, приведенная на рис. 1, содержит два основных блока: систему обнаружения и измерения параметров имитопомехи по максимуму функций неопределенности ^(т, /) и блок управления и обработки, который прогнозирует (экстраполирует) траекторию движения параметров полезного, помехового сигналов и осуществляет управление работой следящих систем. Параметрами полезного сигнала являются оценки, получаемые из систем слежения. слежения

Рис. 1. Структурная схема защиты систем

.ремя

Рассмотрим алгоритм управления системами слежения. Пусть в области неопределенности частота-время в ячейках поиска имеются полезный сигнал (с) и имитопомеха (п) (рис. 2). Взаимное перемещений РЭС относительно постановщика помех приводит к движению максимумов функций неопределенности сигнала и помехи. На рис. 2 стрелками показан пример траектории движения max F^x, f) и max Fj(x, f).

Если возникает опасность объединения областей высокой корреляции сигнала и помехи, т.е. пересечения траекторий, тогда работа системы слежения блокируется с целью недопущения перезахвата на имитопомеху, а контур слежения переходит в режим памяти.

С течением времени полезный сигнал и помеха расходятся из общей ячейки поиска, снимается блокирование и продолжается слежение за параметрами полезного сигнала. В случае необходимости может быть выполнен допоиск и корректировка опорных генераторов в кольце слежения.

Проведем анализ и оценку основных параметров метода защиты.

Рис. 2. Пример движения максимумов функций неопределенности сигнала и помехи по области неопределенности для одного канала

Модель помехового сигнала

Уравнение, описывающее форму принимаемого сигнала с частотными и кодовыми компонентами после квадратурной обработки, имеет вид

Nu-\

X t =aU. t Д + У £/„ t Д +n t

3=0

U. t Д =0,5AC t -т. exp /2л fm + fn . t -т. +ш.],

i т. г/ ' i т. г/ 1 г J JIF J Dop 1 т. г/ / I / I

а — параметры обнаружения; А — амплитуда сигнала в точке приема; и,, fD. и т. — начальная фаза, доплеровский сдвиг частоты и задержка распространения несущего колебания от 7-го постановщика помех; fIF — промежуточная частота; С. t — т. — псевдослучайная

последовательность (ПСП) с числом элементов Npn , амплитудой ±1 В и длительностью ТрN, Три — TdNIF ; Td — интервал дискретизации; NIF — количество выборок сигнала промежуточной частоты в одном дискрете ПСП С tm n ; tm n = mTPN + Tdn и 70 =TpnNpn; к — информационный параметр, "к = fDop, т ; Г|(7) —белый шум с характеристиками: М г| tmn =0; м Л <„,,; Л '„,/, = 0,5 N08 tmn-tmh =а25 tm n -tmh /А/0. где А'(1 — односторонняя спектральная плотность белого шума, Af0 — полоса принимаемого сигнала, М ■ — оператор математического ожидания; Nu — количество помеховых сигналов при кодовом разделении.

При Nu — 1 функция х t описывает помеху с частотным разделением, при N,. > 1

— помеховый сигнал с кодовым разделением.

Поиск имитопомехи в локальных частотно-временных областях. Основным элементом системы защиты является поиск имитопомехи в локальных частотно-временных областях. Последовательные алгоритмы поиска сигналов [3] не учитывают особенностей локальных областей и различий между имитопомехой и полезным сигналом.

Построим алгоритм поиска с учетом различий по уровням мощностей в частотно-временной области и адаптаций по размеру локализованной области и времени поиска помехи.

21

При этом алгоритм адаптации должен максимизировать область локализации Q/; имитопомехи исходя из значения отношения помеха/шум на выходе коррелятора с учетом ограничения на время поиска: Q^, —> max, кТ0 —» min, к = 1,2...

Для формирования статистики значений Fj т, / используем двухэтапный алгоритм,

реализующий на первом этапе разрешение-обнаружение помехового сигнала, на втором этапе — разрешение-измерение.

Алгоритм поиска помехового сигнала

На этапе разрешения-обнаружения осуществляется локализация помехового сигнала в области неопределенности, при этом обнаружение выполняется одновременно в нескольких ячейках поиска (рис. 3).

Для описания алгоритма поиска отсчеты входного сигнала x t представим в виде

вектора

IF

Поиск сигнала ведется в следующей последовательности.

1. На принятую выборку перемножается сумма комплексных экспонент

у l =Z х'»,» Zexp -j^nTä

п.

Л

(1)

J

таких, что cöv е Qp, flp nQ(jl = 0, flp eil, v = I...V, где ii — счетное множество, охватывающее границы доплеровского смещения частоты; Q. р — р -с подмножество с выборочными значениями частот, которое определяет область локализации; V — количество частот в Qp,

Выражение (1) осуществляет процесс демодуляции ПСП, в соответствии с этим задаются значения частот Cöv из подмножества О. р : cov = 2л fIp + fDop v , где fDop v — выборочные

значения частоты Доплера.

2. С помощью корреляционной обработки выполняется сжатие сигнала во времени. Коррелятор выполнен на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) [4, 5].

3. Отношение помеха/шум повышается на выходе некогерентного накопителя, реализованное в виде интегратора.

4. Накопленная статистика Fj т, Q/( сравнивается с порогом h . При превышении порога считается, что а= 1 в локализованной области Q.p . Параллельный поиск по задержке позволяет на этапе обнаружения получить оценку задержки €= arg maxi*} т,Q/( ПСП имито-

помехи по методу максимального правдоподобия.

5. На этапе разрешения-измерения используется спектрально-корреляционная обработка входной последовательности, при этом выполняются сжатие по спектру и демодуляция по-мехового сигнала:

Tr/TJ-1

b Tr = X х g0 ехР fIF+fDopmm tmn , (2)

и=0

где TR — интервал накопления частичных корреляций [6], T0>TR >TPN; fDopmm — минимальное значение частоты Доплера.

6. Частичные корреляции b TR используются для вычисления модуля спектра.

п v

7. Оценка частоты находится как ßDop = arg max /•) т,/ .

Рис. 3. Структурная схема адаптивного обнаружения-измерения

Характеристики процесса разрешения-обнаружения. На выходе некогерентного нако-

~ 2 пителя случайный процесс характеризуется двухпараметрическим законом -распределения

[7]. Вероятность ложной тревоги и правильного обнаружения для накопленной статистики определяется как

Г n0,n0zh/z T^t^zjil + q)

F i—i / \ ' ^D

Г(//0)

ГЦ)

(3)

где Т{п) — полная гамма-функция; Г //, а — неполная гамма-функция; л() и — характе-

„2 — „ „ ризуют число степеней у -распределения; — порог; 2 — среднее значение случайной величины на выходе некогерентного накопителя при а =1; д — отношение помеха/шум на выходе коррелятора.

Определим необходимые параметры для вычисления количественных характеристик обнаружения помехи для РЭС с частотным разделением Ыи = 1.

Полезная составляющая на выходе коррелятора определяется как [2]

Ык+\) Г ^

У,: к = | X ЕеХР

ТА- "

G0 t dt =

V Т0(к+1)

= J G t-x Gn t exp jAcavt + j\\i dt

v=l T0k V

1

0,5Лг(т)^—— [exp 7Äa)vrn(Ar + l) + 7V|/ -exp /А(%/ к l /4/ 1, tT jA(o L J

где г(г) — нормированная автокорреляционная функция дальномерного кода; С() I — опорная кодовая последовательность; Дю,, = 2яД/, = ./„, + /Вор - /„, + /Вор у .

Множитель, состоящий из разности комплексных экспонент, можно преобразовать к виду Т0 ехр /Лео Т0к + j\\J sine Лео Т0/ 2 .С учетом произведенных преобразований запишем полезную составляющую помехового сигнала на выходе коррелятора:

V

Yv к = 0,5Ar(x)T0^sine AavT0/2 ехр jAo\T0k + \\i .

V—1

Квадраты составляющих имеют вид

V

Y¿ к = 0,5Е г{т) ЧЕ sine M\Tj2 \ (4)

где Е = 0,5А Т0 — энергия помехового сигнала.

Дисперсия шумовой составляющей, обусловленной внутренним шумом приемника, на выходе коррелятора определяется как

Г v т0(к+\)т0{к+\) Л v

М Е J i п >н, G„ im л К G0 tc ЛпаЛ = 0,5^Ы{)Т{)=0,5Ш{)Т{).

У v=l Ток Т0к J v=l

Отношение помеха/шум по мощности на выходе коррелятора определяется в виде

V

Е Ф) SillC АюГо/2

q = —Е-=-^-• (5)

* 0,5 VN0T0 VN0

Среднее значение на выходе некогерентного накопителя без полезной составляющей сигнала равно z = 0,5VN0T0Nnk , где Nnk — количество некогерентно накапливаемых отсчетов.

При обнаружении помехового сигнала для РЭС с кодовым разделением полезная составляющая YjU к на выходе коррелятора аналогична (4).

Мешающая составляющая на выходе коррелятора, образованная сигналами от других постановщиков помех:

У T0(k+X)Nu-i

Yw[k] = 0,5At. i

t- т9 exp jA(av &t G0 t dt,

v=l T0k 9=1

где Ашу э = 2nAfv 9 = fDop 9 — fDop v , может быть записана следующим образом:

Ym[k] = 0,5A9T() Y, sinc ЩТо/2 ехР jAafok + jV, ,

i=\

где р — взаимно корреляционная функция кодовых последовательностей.

Частоты Дсог образованы комбинацией входных сигналов и опорного генератора, и, в общем случае, их можно рассматривать как случайные значения, распределенные на интервале неопределенности частоты Доплера.

Отношение помеха/шум по мощности на выходе коррелятора определяется как

. . ^, 2

Е r(x) Е sinc A®V2

у2 ' V V

а = _-Я_ = _52!__Í6)

П 517Д/ Т ->-V2 W) 9 ' W

и,ЪУН010+Хт VNo+Epi £ sinc АюгГ0/2

i=\

V—1

Рассмотрим возможность применения метода защиты к комплексированным навигационным системам ГЛОНАСС и GPS с частотным и кодовым разделением каналов. Известный метод защиты от помех требует отключения систем слежения, а измерения продолжаются по инерциальной системе, которую периодически необходимо корректировать для повышения точности определения координат потребителя. Применение временной селекции позволяет системам слежения работать в импульсном режиме и корректировать измерения инерциальной системы.

Навигационная система ГЛОНАСС. Размер ячейки поиска по частоте в системе равен /(. =500 Гц [2], по задержке — 0,5 TPN . Элементами дальномерного кода являются значения кода максимальной длины (М-последовательность) с числом дискретов Npn =511 для гражданского применения. Число входных отсчетов коррелятора равно 2 Npn ; Т0 — NpnTpn=1 мс.

Выберем fl)np =500 Гц. г(т)=0,75. Количество ячеек поиска равно 2 I foopmax l/ÎdoP =2'5 кГц/500 Гц=20. Максимальное количество частот V в Q/; выберем равным 4, тогда D.p е О, р =1... 5; п0 =пг = Nnk .

В выражении (5) множитель sine Ao)v'/i:'j/2 вносит ослабление, которое можно аппроксимировать в виде

f} / а= Isinc ДюГ0/2 dAra F ■ (7)

А /

в зависимости от значения Дсоу е [/, f2 ] и FA — f2 — fx.

Для Дсоу е[0 0,5/g] Гц коэффициент а, =0.97. При Дсоу е[о,5/5 2/^ J кГц энергия помехи уменьшается более чем в два раза и а2 =0,46.

Число сигналов Ns, попавших в полосу от 0,5 /5 до 2 fDop , определяется из условия

foop , - Lop v I ^ 2 fi>oP v • При F =4 и fDop =500 Гц получаем, что Ns= 2 .

С учетом полученных преобразований можно уточнить выражение для отношения помеха/шум (5)

4 =

Е г{т) 2 a2+Nsа2

VN0

Навигационная система GPS. Система использует коды Голда для кодового разделения сигналов, коэффициент корреляции которых равен р= 2yjNpn ¡Npn , Npn =1023 . Зададим число постановщиков помех 12, т.е. Nu =11.

V(Nv-1) 2

В выражении (6) слагаемое Ер2 ^ sine До( '/,', /2 в силу случайности Дшг можно

г= 1

аппроксимировать как Ер2 ol2Nj1 + cl2NJ2 , где NJ1 — среднее число помеховых сигналов,

попавших в полосу от 0 до 250 Гц; NJ2 — среднее число помеховых сигналов, попавших в полосу от 250 до 1000 Гц.

Значения Nyi и NJ2 вычисляются таким образом:

NJt = V{Nv -1 )FAi/p(fDop), г = 1...2, = 250, FA2 = 750,

где p(fDop) — плотность распределения вероятности частоты Доплера на входе приемника,

которая определяется как p(fDop) = \/ fDop max - fDop mn = 1/ fDop max , fDop mm =0. Уточненное выражение для q системы GPS имеет вид

Е г(т) 2 a2+Nsа,2

а =-1-.

Ш0+Ер2 a2NJl+a22NJ2

Оставшиеся сигналы с Д(0; > 1 кГц можно не рассматривать ввиду их малой мощности. На рис. 4 показаны зависимости результатов адаптации Nnk и V от отношения помеха/шум qIN на входе системы обнаружения при PF < 10 \ PD > 0,95.

Nnk ♦ 5 V= 1 ♦ ГЛОННАС ■ GPS

3 ■ V= 1 < 3 V=2 2 V= 1 V=4 2

1 V=4

-16 -14 -12 -10 -В -6 -4 -2 0

<| вх, дБ

Рис. 4. Зависимость Nnk , V от qIN для ГЛОНАСС и GPS

Из рис. 4 видно, что при низких отношениях помеха/шум на входе обнаружение помехи производится с областью локализации V = 1. Когда qIN е — 5 0 дБ, область локализации увеличивается до 4, при этом время обнаружения составляет не более 2 T0, что можно рассматривать приемлемым для метода защиты.

Заключение

Рассмотрен метод защиты измерительных каналов РЭС от имитирующих и перенацеливающих помех, использующий алгоритм обнаружения с адаптацией параметров к сигнально-помеховой обстановке, что ускоряет процесс обнаружения имитопомехи и измерение ее параметров в локальных частотно-временных областях. Управление областью локализации позволяет выбирать минимальное количество корреляторов для поиска помехи в заданной области неопределенности.

Применение метода защиты в комплексированных навигационных систем позволяет обеспечить более полный доступ измерителей в импульсном режиме к навигационному электромагнитному полю в сложной помеховой обстановке.

PROTECTION MEASURER OF PARAMETERS OF COMPLEX SIGNALS FROM SIMULATING AND REDIRECTIG OF JAMMING

D.L. HODUKO, SB. SALOMATIN

Abstract

The method of protection measurer of parameters of signals in radioelectronic systems with frequency - code division of signals from simulating and redirecting of jamming is considered. The analysis methods of protection on a basis two-stage of adaptive algorithm of detection - measurement of parameters of jamming in local frequency - temporary areas is carried out. The example of application of a method of protection for inertial measurement of satellite systems GLONASS and GPS is considered.

Литература

1. Защита радиолокационных систем от помех. Состояния и тенденции развития / Под ред. А.И. Канащенкова, В.И. Меркулова. М., 2003.

2. ПеровА.И. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. М., 2005.

3. Brown A., Gerein N., Taylor K. // Proc. of the ION National Technical Meeting. Jan. 2000. Anaheim, CA.

4. Ward P. Satellite signal acquisition and tracking. In Elliot D. Kaplan, ed., Understanding GPS Principles and Applications. Ch. 5. Artech House Publishers, 1996.

5. Akos D.M. A Software Radio Approach to Global Navigation Satellite System Receiver Design. Ph.D. dissertation, Ohio University, 1997.

6. Саломатин С.Б., Ходыко Д.Л. // Докл. БГУИР. 2008. Т. 6, № 1.

7. ОхрименкоА.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. М., 1983. Ч. 1.