CC BY
141
УДК 621.371.3: 621.396.96
А.Ф. Чипига
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СКРЫТНОСТИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ОТ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
Показано, что при использовании в системах спутниковой связи (ССС) традиционного диапазона несущих частот допустимое отношение сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника (ПРМ) ССС составляет 13 дБ. Поэтому условие обеспечения энергетической скрытности ССС не выполняется. Если в ССС использовать пониженные частоты от 60 до 80 МГц, обуславливающие возникновение замираний принимаемого сигнала рэлеевского типа, и схему пространственно-разнесенного приема на четыре антенны, то допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ ССС составляет 16 дБ. При этом допустимое значение отношения С/Ш на входе ПРМ обнаружения при отсутствии замираний составляет 30 дБ. Поэтому коэффициент энергетической скрытности составляет 14 дБ, т.е. условие обеспечения энергетической скрытности ССС выполняется. Таким образом, если в ССС использовать пониженные несущие частоты от 60 до 80 МГц, обуславливающие рэлеевские замирания принимаемых сигналов, и пространственно-разнесенный прием на четыре антенны, то можно обеспечить достижение высокой энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника обнаружения сигнала сигналов.
Спутниковая связь; пониженная частота; разнесенный прием; энергетическая скрытность; обнаружение сигналов; поглощение в ионосфере.
A.F. Chipiga
STEALTH ENERGY ANALYSIS OF LOW FREQUENCY SYSTEM OF SATELLITE COMMUNICATIONS FROM SIGNAL DETECTION
It is shown that when used in a range of traditional SCS carriers allowable signal / noise ratio (S / N) at the receiver input of the SCS is 13 dB. Therefore, the condition of ensuring the energy stealth SCS is not satisfied. If the use of lower frequencies SCS 60 to 80 MHz, causing the occurrence of the Rayleigh fading of the received signal type and the spatial diversity by receiving antennas is 4, the acceptable S / N ratio at the receiver input of SCS is 16 dB. In this case the allowable value of the ratio S / N at the input PRM detection in the absence offading is 30 dB. Therefore, the energy ratio is 14 dB secrecy, ie, the condition of ensuring the energy stealth SCS running. Thus, if the use of lower SCS carrier frequencies from 60 to 80 MHz, causing the Rayleigh fading of the received signals and spatial-diversity reception by the antenna 4, it is possible to achieve high energy stealth SCS receiver placed at a close signal detection signal.
Satellite communications; reduced frequency; diversity reception; energy stealth; signal detection; absorption in the ionosphere.
Известна [1-3] проблема повышения помехозащищенности систем радиосвязи (СРС), функционирующих в условиях радио- и радиотехнической разведки (РРТР) и радиоэлектронного противодействия. Определяется помехозащищенность СРС помехоустойчивостью (ПУ) и скрытностью.
Количественным показателем ПУ цифровых СРС является вероятность ошибки (P ) при приеме информационных символов или связанное с ней известной функциональной зависимостью Poni = ^(h2) отношение h2 = Ег/N0 энергии сигнала на входе приемника (ПРМ) к спектральной плотности мощности
шума: h2 = Y l(PоШ)•
Выбор количественного показателя скрытности СРС зависит от назначения системы РРТР [1, 2]: обнаружение сигналов; радиоперехват; измерение параметров; 4) пеленгация направления прихода сигналов. Для количественной оценки
энергетической скрытности СРС при решении системой РРТР задачи радиоперехвата сообщений (сигналов) используется показатель вероятности ошибки при
приеме сигнала СРС приемником радиоперехвата /,шр = У(кр) при заданном отношении энергии сигнала на входе разведприемника к спектральной плотности мощности шума И^= ~Е , или показатель энергетического отношения сиг-
нал/шум (С/Ш) на входе ПРМ радиоперехвата кр = у^1 (Рош р) при заданной Рош [2, 4]. Согласно [4] в качестве показателя энергетической скрытности СРС выбирают отношение /эс = кдопр/кр допустимого (необходимого) отношения С/Ш
на входе ПРМ радиоперехвата (кдропр) к фактическому (кр ). Величина определяется по функциональной зависимости ^ = у/(И?) вероятности ошибки от отношения С/Ш на входе ПРМ радиоперехвата при вероятности ошибки, рав-
ной допустимому значению _
^ J ошр ошдоп р
р = р
ошр ош
Условием обеспечения энергетической скрытности ССС при решении системой РРТР задачи радиоперехвата (ккр < к2оп ) является снижение фактически
достижимого на входе ПРМ радиоперехвата энергетического отношения С/Ш ккр по сравнению с допустимым значением кдОП , или обеспечение коэффициента
энергетической скрытности у эс = к^^ ^кр > 1.
Представляется очевидным, что для систем спутниковой связи (ССС) выполнение условия обеспечения ПУ (т. е. реализация фактического отношения С/Ш на
входе ПРМ не ниже допустимого значения к2 > кдОП) и энергетической скрытности у, = кдСпр /кр > 1 сложнее всего реализовать в случае, когда ПРМ радиоперехвата расположен на близком (меньше 10 км) расстоянии от ПРМ ССС.
Известен [5] способ обеспечения высокой энергетической скрытности ССС (т.е. уэс >> 1) при близком размещении приемника радиоразведки, предназначенного для решения задачи радиоперехвата, за счет понижения несущей частоты до = 60...80 МГц и применения пространственно-разнесенного приема на несколько
(четыре и более) антенн (п > 4). Реализация данного способа при использовании четырех антенн (п = 4) обеспечивает возможность повышения коэффициента энергетической скрытности низкочастотной ССС до величины у = 34 дБ.
Однако в системе РРТР задача радиоперехвата сообщений обычно решается на втором этапе, т. е. после обнаружения факта наличия (прихода) сигнала на входе ПРМ разведки.
Для количественной оценки энергетической скрытности СРС при решении системой РРТР задачи обнаружения сигналов используется такой показатель, как вероятность правильного обнаружения р =у(И2,р ) при заданных энергетиче-
ском отношении С/Ш на входе ПРМ разведки (кр) и вероятности ложной тревоги
(Рлт) [1-3]. Кроме показателя р = Рлт) часто используется энергетический
показатель: отношение С/Ш на входе ПРМ обнаружения Ъ\ = ^1(Ро, Рлт) при заданной вероятности правильного обнаружения сигнала Ро и вероятности ложной тревоги р [2, 4].
Условием обеспечения энергетической скрытности ССС при решении системой разведки задачи обнаружения сигнала является непревышение Ир < Идоп
2 „ 7-2
" Р 2
достижимого на входе ПРМ обнаружения энергетического отношения С/Ш И над допустимым значением И 2 , или обеспечение коэффициента энергетической скрытности у эс = Ироп^ IИр > 1 [6]. В отличие от задачи радиоперехвата,
здесь величина ^ определяется по функциональной зависимости
р = щ(И2, Р ) вероятности правильного обнаружения сигнала от отношения
С/Ш на входе ПРМ обнаружения при допустимых значениях вероятности правильного обнаружения Р = Р и ложной тревоги Р = Р .
* ^ по по доп А лт лт доп
Цель статьи состоит в обосновании способа обеспечения энергетической скрытности ССС (т.е. у > 1) при близком размещении приемника обнаружения
сигнала за счет понижения несущей частоты до /0 = 60...80МГц и применения
пространственно-разнесенного приема на четыре антенны (п = 4).
Модель размещения радиосредств ССС и близко (менее 10 км) расположенного ПРМ радиоперехвата (РПХ), а также способ обеспечения скрытности ССС за счет понижения несущей частоты (до у = 30...100 МГц) и применения пространственно -
разнесенного приема (на п = 4 антенны) иллюстрируется на рис. 1.
Теоретическую основу для реализации указанного способа составляют следующие закономерности изменения условий распространении радиоволн (РРВ) и модели трансионосферного канала связи (КС) [5, 7-9].
При РРВ с пониженной частотой (до / = 30...100 МГц) через ионосферу, в
которой всегда присутствуют флуктуации () электронной концепции (ЭК) N =< N > +А^г относительно их среднего значения (< N > = N), к ПРМ ССС приходит множество (I = 1...М) рассеянных неоднородностями (АNi) лучей с относительными фазовыми сдвигами Аф- ~ АNi / / [7, 8]. Значения Аф г- определяют условия возникновения быстрых замираний (БЗ) райсовского типа (0 < Аф << 2 л) или рэлеевского (Аф >> 2 л).
При традиционно используемых в ССС несущих частотах /0 = 1.10 ГГц относительные фазовые сдвиги лучей отсутствуют (так как А ф^ ~ А^/^ =0) и
поэтому интерференционные быстрые замирания (БЗ) не возникают. Поэтому параметр Райса, характеризующий отношение мощностей регулярной и флуктуаци-онной составляющих принимаемого сигнала, равен у2 = Р^Р^ = & . По мере
понижения несущей частоты до у = 80...60 МГц относительные фазовые сдвиги
лучей Дщ ~ АЫ^//0 , приходящих в точку приема, возрастают до значений Дщ >> 2л и параметр Райса уменьшается до у2 = Р^Р2л = 0, что соответствует наибольшей глубине БЗ принимаемых сигналов.
Рис. 1. Способ обеспечения скрытности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата за счет применения пониженной частоты разнесенного приема
на четыре антенны
Анализ возможности обеспечения в ССС требуемой ПУ при использовании пониженной несущей частоты и пространственно разнесенного приема сигналов показывает следующее [5, 7-9]:
1) при использовании в ССС традиционного диапазона несущих частот /0 = 1___10 ГГц трансионосферный канал связи описывается моделью с полностью
известными параметрами, поскольку в нем отсутствует многолучевость и быстрые замирания (Дщ ~ ДЫ^/о =0, у2 = Рр2/Р^л = ^ ). Для такой модели канала
связи и, например, некогерентной (НК) схемы обработки ортогональных сигналов
функциональная зависимость и значение Ьд^ при ^шдоп= 10-5 имеют вид:
Рош = УФ2) = 0г5схр(-0г5А2),
hL ="2ln(2P„) * 13 дБ;
(1) (2)
2) если в ССС использовать пониженные несущие частоты в диапазоне /0 = 30 _100 МГц, то процесс РРВ сопровождается многолучевостью
(Дщ ~ ДЫ,-//0 >0) и интерференционными быстрыми замираниями принимаемых сигналов. Для частот у = 60_80 МГц, обеспечивающих выполнение усло-
вия Др ~ Щ// >> 2л, трансионосферный КС описывается моделью с рэле-евскими замираниями (РлЗ), характеризуемыми у2 = рр2 =0. В этом случае
при использовании той же НК схемы обработки ортогональных сигналов существенно изменятся по сравнению с (1, 2) как функциональная зависимость (^) между Рш и к2, так и значение ЛДоп :
Рош = У/\(к2) = 1/(2 + к2) «1/к2, (3)
к2 „ = Р_1 - 2 «Р- « 50 дБ ; (4)
допБЗ ошдоп ошдоп ^^ ' У '
3) Если в ССС использовать пониженные частоты / = 60.80 МГц, обу-
славливающие возникновение замираний принимаемого сигнала рэлеевского типа
>> 2л; у2 = Р2/Рфл
(Др. ~ ДЫ1//о >> 2л; у2 = Р2/Р2л =0) и схему пространственно-разнесенного приема на несколько (П) антенн, то произойдет существенное изменение по сравнению с (3, 4) как функциональной зависимости (^) между Рош и к , так и
значения к2 :
кдоп
Рош = ^2(к2) = С2П-У(к2)П , (5)
кд2оп п = (СП-Рш)^ «16 дБ (при п = 4). (6)
Отметим, что при использовании одиночного приема (п = 1) выражения (5, 6) сводятся к виду (3), (4).
Сравнительный анализ выражений (1), (3) и (5) и построенных по ним графиков зависимостей Рш = (к2) на рис. 2 показывает, что при использовании в ССС пониженных частот /0 = 60.80 МГц и появлении РлЗ принимаемых сигналов для достижения рш = 105 в ПРМ РПХ со схемой НК обработки (и одиночной ( п = 1) антенной потребуется обеспечить входное отношение С/Ш к2 = к2 « 50 дБ, а в ПРМ ССС со схемой некогерентной обработки и про-
допр доп 1 ^
странственно-разнесенного приема на п = 4 антенны - всего кд2оп4 «16 дБ.
Таким образом, при использовании в ССС пониженных частот /0 = 60.80 МГц и появлении РлЗ (релеевские замирания) принимаемых сигналов для достижения Рош доп = 10~5 в ПРМ ССС со схемой НК обработки и использованием п = 4 разнесенных антенн потребуется обеспечить входное отношение С/Ш всего кдоп4 ~ 16 дБ и условие обеспечения ПУ принимает вид к2 > к2оп4 «16 дБ.
Теперь проанализируем с помощью рис. 1 выполнение условия обеспечения энергетической скрытности ССС (к2 < к2 , или у = к2 к2 > 1) при реше-
р ДОП р ' ЭС ДОПр! р
нии системой разведки задачи обнаружения сигнала, когда вместо ПРМ РПХ используется ПРМ обнаружения сигналов.
Согласно рис. 1 при близком размещении приемников разведки и ССС (на расстоянии Щ < 10 км) фактическое отношение С/Ш на входе ПРМ обнаружения
к 2 будет практически таким же, как на входе ПРМ ССС, к2 « к2 = к2 «16 дБ.
р р доп4
ID1 103 104 10! 106 h2-^
J-O
-1- 20 -1- 1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1
V РпЗ 1 1 1 РлЗ '
Без замираю "1 ^допр 5 Ч7« = 1)| \ 1 \ 1 >дБ X"
\кл к \ \ Тч 1 \ 1 \ 1 \ 1 \
= 16д5 j 1 1 1 1
0 10 13 16 20 30 40 50 60 '¡'.пВ
Рис. 2. Зависимости Рош = щ (А2) для некогерентной обработки сигналов без
замираний и с релеевскими замираниями (РлЗ) при одиночном и разнесенном приеме на п = 4 антенны
Напомним, что величина определяется по функциональной зависимо-
сти р = щ(К, Р ) вероятности правильного обнаружения сигнала от отношения С/Ш на входе ПРМ обнаружения при допустимых значениях вероятности правильного обнаружения р = р и ложной тревоги Р = Р .
по по доп лт лт доп
Будем считать, что в ПРМ обнаружения используется схема не автокорреляционного (энергетического) приема, а оптимальной некогерентной обработки сигналов. Известна [10] зависимость вероятности правильного обнаружения сигналов
2
со случайной начальной фазой (т.е. без замираний, у = Ю) оптимальной некогерентной схемой обработки на фоне гауссовских шумов:
Р = в(я, К) = б[(2КГ, ^/21п(1/Р)[ (7)
где
да ( 2 2 Л
Q(y,x) =j p exp - ^^ I0 (yp)dp (8)
x
- функция Маркума; g = ^2/Е/ N = ^2Н2 - амплитуда сигнала на выходе оптимальной схемы обработки, определяемая отношением К2 = Е /Ы0 энергии принимаемого (входного) сигнала Е к спектральной плотности мощности шума N ^; К =(21П(1Рт ))12 - нормированное значение порога обнаружения, определяемое вероятностью ложной тревоги Р .
Вероятность правильного обнаружения оптимальной НК схемой обработки сигналов со случайной начальной фазой и амплитудой, распределенной по релеев-скому закону (т.е. у2 = 0), описывается выражением [10]:
Р = а{0, К ) = ехр(- 0,5 Н. ) = ) = Р>к21, (9)
Я = 0; Но, = Ко/(1 + К2)1/2; К = Ег/К0. Графики зависимости р = ^(Н2,Р ), построенные согласно выражениям (7)
4
и (9) для допустимой вероятности ложной тревоги Р =10 приведены на рис. 3.
лт доп
Анализ этих графиков показывает, что при высоких требованиях к вероятности правильного обнаружения сигналов Р = Р =0,99 допустимое отношение
А " ттп ттп ттптт ^
по подоп
г2
доп
С/Ш на входе ПРМ обнаружения должно достигать величины Н2оп ~ 20 (т.е. 13 дБ)
при отсутствии замираний (у2 = Ю) и Н2оп ~ 103 (т.е. 30 дБ) при наличии реле евских замираний (у2 = 0) принимаемых сигналов.
Рис. 3. Вероятности правильного обнаружения сигналов при отсутствии замираний и релеевских замираниях принимаемого сигнала
Это позволяет сделать следующие выводы:
1) при использовании в ССС традиционного диапазона несущих частот /0 = 1.10 ГГц, когда трансионосферный канал связи описывается моделью без
2
замираний (у = Ю ), допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ ССС согласно (2) составляет К2 «13 дБ. Поэтому при близком размещении ПРМ разведки
(обнаружения сигналов) на его входе обеспечивается почти такое же фактическое отношение С/Ш К2 = к2 «13 лБ. При этом допустимое значение отношения
р доп ^
ния энергетической скрытности ССС (Ь2 < Ь2оп , или уэс = кДОПр^р > 1) не
С/Ш на входе ПРМ обнаружения (для обеспечения Р = 0,99; Р =10 4) при
* ^ по доп лтдоп ' А
отсутствии замираний составляет Ь^ ~ 20 (т.е. 13 дБ). Поэтому коэффициент энергетической скрытности составляет у = Ь2оп /Ь2 « 1, т.е. условие обеспече-
,2 „ ,„2 _____ „, _ ,„2 /,„2
1 р'
выполняется.
2) если в ССС использовать пониженные частоты у = 60...80 МГц, обуславливающие возникновение замираний принимаемого сигнала рэлеевского типа
2
(У = 0), и схему пространственно-разнесенного приема на П =4 антенны, то согласно (6) допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ ССС составляет Ь2 4 «16 дБ. Поэтому при близком размещении ПРМ разведки (обнаружения сигналов) на его входе обеспечивается почти такое же фактическое отношение С/Ш: Ь2 = Ь2 «16 дБ. При этом допустимое значение отношения С/Ш на входе ПРМ
обнаружения (для обеспечения Р = 0,99; Р =10 4) при отсутствии замира-
* ^ по доп лт доп А
ний составляет Ь2 ~ 30 дБ. Поэтому коэффициент энергетической скрытности составляет уэс = Ьд2оп ^Ь2 ~ 14 дБ, т. е. условие обеспечения энергетической
скрытности ССС (Ь2 < Ь2 , или у„ = к2 к2 > 1) выполняется.
г р доп р' ' эс ДОПр I р
Очевидно, что в ПРМ обнаружения (в отличие от ПРМ ССС) применение пространственно-разнесенного приема на п = 4 антенны проблематично, т. к. одним из основных требований к приемникам радиоразведки, размещаемым вблизи от приемников ССС, являются их малые массогабаритные показатели.
Выводы. Таким образом, если в ССС использовать пониженные несущие частоты /0 = 60.80 МГц (обуславливающие рэлеевские замирания принимаемых
сигналов) и пространственно-разнесенный прием на п = 4 антенны, то можно обеспечить, наряду с требуемой помехоустойчивостью (Рош < Рошдоп = 105), достижение высокой энергетической скрытности ССС (у = 14дБ) при близком размещении приемника обнаружения сигнала сигналов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борисов В.И., Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход. - 2-е изд. исправленное. - М.: РадиоСофт, 2008. - 260 с.
2. Куприянов А.И., Сахаров А.В. Радиоэлектронные системы в информационном конфликте. - М.: Вузовская книга, 2003. - 528 с.
3. Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 264 с.
4. Буга Н.Н. Основы теории связи и передачи данных. Ч. I. - Л.: ЛВИКА им. А.Ф. Можайского, 1968. - 548 с.
5. Чипига А.Ф., Сенокосова А.В. Способ обеспечения энергетической скрытности систем спутниковой связи // Космические исследования. - 2009. - Т. 47, № 5. - С. 428-433.
6. Телицын А.М. Синтез и разработка радиотехнических систем передачи дискретной информации. - М.: МО СССР, 1978. - 195 с.
7. ЧипигаА.Ф., СенокосоваА.В. Защита информации в системах космической связи за счет изменения условий распространения радиоволн // Космические исследования. - 2007. - Т. 45, № 1. - С. 59-66.
8. Вимберг Г.П., Виноградов Ю.В., Фомин А.Ф. Энергетические характеристики космических радиолиний. / Под. ред. О.А. Зенкевича. М.: Советское радио, 1972. - 436 с.
9. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. - М.: Сов. радио, 1976. - 364 с.
10. Коростелев А.А., Клюев Н.Ф., Мельник Ю.А. и др. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор О.Б. Макаревич.
Чипига Александр Федорович - Северо-Кавказский федеральный университет; e-mail: [email protected]; 355000, г. Ставрополь, ул. Десантников, 25; тел.: 88652956546; к.т.н.; профессор; директор института информационных технологий и телекоммуникаций.
Chipiga Alexander Fyodorovich - North Caucasus Federal University; e-mail: [email protected]; 25, Desantnikov street, Stavropol, 355000, Russia; phone: +78652956546; dr. of eng. sc.; professor; director of the Institute of information technology and telecommunications.
