Исраил 95REG (israil_95reg) wrote,
Исраил 95REG
israil_95reg

Categories:

По поводу БПЛА. Радиоэлектронное подавление систем навигации и радиосвязи. Часть 11

4.3. Особенности организации связи в радиолиниях передачи данных с БПЛА

При организации линий передачи данных "вниз" по направлению "БПЛА – ПУ" необходимо учитывать следующие особенности:

- специальная аппаратура и технические средства полезной нагрузки, размещенные на БПЛА, формируют потоки данных значительного объема (таблица 6), при этом, в большинстве случаев передачу этих данных необходимо вести в режиме времени близком к реальному (например, видеоданные от ОЭС БПЛА зачастую используются оператором для управления БПЛА в ручном режиме);

1.jpg

Таблица 6 – Приблизительные оценки интенсивности потоков данных, формируемых специальной аппаратурой и техническими средствами полезной нагрузки БПЛА


- большой объем формируемых данных, а также ограниченность доступного частотного ресурса предопределяет необходимость использования различных способов и технологий оптимизации пропускной способности и повышения скорости линии передачи данных: использование технологии адаптивной смены сигнально-кодовых конструкций ACM (Adaptive Coding and Modulation); технологии спектрального уплотнения OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), технологий сжатия данных на борту. При этом небольшие габариты БПЛА препятствуют размещению на нем направленных антенных систем с относительно высоким коэффициентом усиления, однако возможно использование антенных систем MIMO (Multiple Input Multiple Output) на основе нескольких простых антенн;

- большой объем формируемых данных, необходимость их передачи в режиме реального времени, а также отсутствие высокопроизводительной аппаратуры шифрования на борту БПЛА, предопределяет использование либо низкого уровня криптозащиты, либо ее полное отсутствие.

4.3.1. Специальные и военные БПЛА

Обобщая материалы работ возможно сформировать следующие обобщенные ТТХ радиолиний передачи данных со специальных и военных БПЛА, значимых для их радиоэлектронного подавления. Для передачи данных с больших и средних БПЛА специального и военного назначения через ССС, как правило, используются ССС WGS и Inmarsat, а также другие совместимые с ними по режимам организации связи широкополосные ССС. Линия связи "вниз" с ретрансляцией через ССС, как правило, формируется в Ka диапазоне (30-31 / 20,2-21,2 ГГц) в полосе частот 125 МГц, в которой требуемая полоса частот выделяется подканалами с шириной 2,6 МГц. Это позволяет гибко формировать требуемую пропускную способность линии, обеспечивая скорости передачи 10-137 Мбит/с. Ширина главного лепестка ДНА спутниковой связи на БПЛА составляет 10-35°. Для высокоскоростного получения данных со специальных и военных малых БПЛА (например, таких как RQ-7B Shadow 200, RQ-11B Raven, RQ-16THawk и др.), как правило, организуется высокоскоростная линия связи в режиме прямой видимости (без ретрансляции) с наземным ПУ в S (2,2-2,5 ГГц), С (4,4-5,85 ГГц), и Ku (15,15-15,35 / 14,4-14,83 ГГц) диапазонах. Ширина линии связи 3-40 МГц. Типовые скорости передачи данных 1,6-12 Мбит/с, при использовании режима частотного ортогонального уплотнения OFDM совместно с QAM сигналами скорость передачи данных повышается до 45 Мбит/с. Используемые типы сигналов: BPSK, QPSK (DQPSK, SOQPSK), FSK, GMSK, QAM (16QAM, 64QAM).

Тип помехоустойчивого кодирования: коды Рида-Соломона, сверточное кодирование, кодирование Витерби, турбокодирование, LDPC-кодирование, со скоростями кода R=1/2, 2/3, 3/4.

Типы многостанционного доступа: "точка-точка", многостанционный доступ БПЛА в режимах частотного (FDMA – Frequency Division Multiple Access) и временного (TDMA – Time-Division Multiple Access) разделения абонентов.

Компрессия видеоданных, поступающих от ОЭС БПЛА: MPEG-2/4, H.264.

Стандарты "упаковки" передаваемой информации: DVB, DVB-S1/S2, DVB-T1/T2. Для криптографической защиты передаваемых данных может использоваться шифрование по стандартам: NSA Type 1, AES-128, AES-256. При отсутствии на БПЛА средств высокоскоростного шифрования данные от БПЛА передаются без криптозащиты.

На БПЛА, стоящих на вооружении стран НАТО, формат данных полезной нагрузки, порядок их передачи и обработки определяется стандартами STANAG: 4545, 4559, 4575, 4607, 4609, 7023, 7085.

На БПЛА используются либо всенаправленные антенны, либо направленные антенны с шириной ДНА порядка 60-90° и усилением 2-4 дБи. Наземные ПУ используют следящие за БПЛА поворотные антенны диаметром до 1,2 м с усилением до 40 дБи с остронаправленной ДНА до 3,5-5°. Мощности передатчиков БПЛА и ПУ составляют порядка 5-15 Вт

Дальность связи:
- в направлении ПУ – БПЛА с использованием направленных антенн на ПУ: до 75 км;
- в направлении ПУ – БПЛА / ПУ – БПЛА с использованием неправленных антенн: до 15 км;
- в направлении БПЛА – ПУ с использованием направленных антенн на БПЛА и ПУ: до 55 км.

4.3.2. Коммерческие БПЛА

Обобщая материалы работ возможно сформировать следующие обобщенные ТТХ радиолиний передачи данных с коммерческих малых БПЛА, значимых для их радиоэлектронного подавления.

Для коммерческих малых БПЛА, направления «вверх» / «вниз» КРУ организуются в фиксированных частотных диапазонах, которые, как правило, соответствуют использованию на БПЛА одной или нескольких коммерческих технологий связи:

Используемые типовые частоты, ширина типовых каналов, типы сигналов и помехоустойчивого кодирования, мощности передатчиков и ТТХ приемных средств определяются соответствующими стандартами на вышеуказанные технологии связи и соответствуют ТТХ, представленным выше для КРУ на основе технологии Wi-Fi (таблицы 4-5).

Основным типом данных, передаваемых по каналу "вниз" являются видеоданные, поступающие от ОЭС БПЛА и предназначенные для визуального управления со стороны оператора. Формат передаваемых видеоданных: MPEG2/4, MPEG-TS, H.264

Для передачи видеоданных, а также мультиплексирования видеоданных и ТМИ, помимо радиолиний на основе Wi-Fi могут использоваться радиолинии на основе стандартов DVB, предназначенных для цифрового телевизионного вещания: DVB-T1/T2 или DVB-S2 (таблица 7). Для передачи высокоскоростных потоков основным требованием является энергетическая эффективность, поэтому в условиях многолучевого распространения, в последнее время, предпочтение отдается технологии DVB-T2 (с использованием OFDM), как наиболее устойчивой к межсимвольной интерференции, потери от которой могут достигать 10 дБ. При этом значительный пик-фактор, свойственный радиосигналу DVB-T2 с множеством ортогональных несущих, компенсируется умеренными требованиями к средней выходной мощности передающего устройства

Таблица 7 – ТТХ радиолиний на основе стандартов DVB


4.4. Особенности радиоэлектронного подавления радиолиний управления и передачи данных БПЛА

Эффективность подавления радиолиний управления и передачи данных БПЛА определяется следующими факторами:

- условиями распространения радиоволн на трассе радиолиний БПЛА –ПУ, а также на трассе радиоподавления;

- энергетической, временной и пространственной доступностью приемников средств связи на БПЛА и ПУ для средств РЭП, а также их чувствительностью;

- мощностью передатчиков средств связи БПЛА и ПУ, а также средств РЭП;

- типом антенных систем, взаимной ориентацией ДНА средств связи БПЛА и ПУ, а также средств РЭП;

- используемыми для передачи шириной полосы частот, типом сигнала, типом помехоустойчивого кодирования, скоростью кода. Для подавления радиолиний управления и передачи данных БПЛА используются следующие типы помех.

1) Помехи, перекрывающие рабочий диапазон частот, предположительно используемый для организации связи с БПЛА. Данный тип помех используется при отражении массированного налета БПЛА, когда невозможно вскрыть параметры частных КРУ отдельных БПЛА и требуется перекрыть весь используемый диапазон частот, или же при невозможности средствами РРТР вскрыть частотные параметры линий связи.

К таким помехам относятся:

- заградительная шумовая помеха (белый шум высокой мощности) во всем диапазоне частот;

- узкополосная шумовая или гармоническая (одночастотное или модулированное гармоническое колебание) помеха, скользящая по диапазону частот.

2) Помехи, прицельные по частоте линий управления и связи БПЛА. Данный тип помех используется при подавлении одиночных БПЛА или группы БПЛА, управляемых по одной КРУ, когда средствами РРТР достоверно вскрыты частотные параметры линий связи. К таким помехам относятся:
- шумовая помеха, прицельная по частоте линии связи;
- гармоническая помеха, прицельная по частоте линии связи;
- узкополосная шумовая или гармоническая помеха, скользящая по используемому диапазону частот (при использовании линий связи с
ШПС или ППРЧ);

- имитирующая помеха, прицельная по частоте линии связи и структуре передаваемых сигналов (имитирует структуру сигналов линии связи);

- имитирующая помеха, прицельная по частоте и структуре сигнала, а также по структуре и формату передаваемых данных (имитирует ложные данные, передаваемые по линии связи), с целью навязывания ложных режимов работы.

Эффективность подавления может быть повышена если средствами мониторинга вскрывается ожидаемая траектория полета БПЛА и средства РЭП могут формировать вышеуказанные помехи прицельно по направлению на БПЛА или его ПУ за счет изменения ориентации ДНА антенных систем.

В настоящее время широкое распространение получили шумовые помехи, прицельные по частотам линий связи БПЛА – ПУ. При этом, ввиду более высокой эффективности, перспективным является использование имитирующих помех, прицельных по структуре сигнала. Однако данный режим подавления более сложен в реализации и, по всей видимости, будет реализован в средствах РЭП следующего поколения.

При организации подавления линий управления и передачи данных БПЛА средства РЭП, как привило, придерживаются следующей логики функционирования.

1) При обнаружении факта налета БПЛА средства РРТР пытаются вскрыть частотные параметры линий радиосвязи "вверх" и "вниз". Если вскрытие частотных параметров данных линий невозможно, то средство РЭП переходит в режим излучения заградительных или скользящих помех по всему диапазону частот, потенциально используемому для организации связи с БПЛА по линям "вверх" / "вниз".

В этот же режим средство РЭП переходит в случае если количество вскрытых линий связи превышает возможности средств РЭП по постановке помех, прицельных по частоте и по направлению.

2) Если произведено успешное вскрытие частотных параметров линий "вверх" / "вниз", то средства РРТР пытаются определить сигнально-структурные и пространственные параметры этих линий. Если вскрытие таких параметров невозможно, то по ранее определённым частотным параметрам формируются шумовые или гармонические помехи, прицельные по частоте. Этот же тип помех формируется если успешное вскрытие сигнальных и структурных параметров радиолинии показывает, что данные радиолинии имеют высокостойкую криптографическую защиту.

3) Если функционал средства РЭП позволяет управлять ДНА, то постановка помех линии «вверх» осуществляется с учетом ориентации ДНА на БПЛА и его траекторного сопровождения. Если по результатам вскрытия пространственных параметров радиолиний определённо направление на ПУ, то постановка помех линии «вниз» осуществляется с учетом ориентированности ДНА средств РЭП на ПУ БПЛА.

4) Если по результатам вскрытия сигнально-структурных параметров радиолиний определенны тип и структура сигналов и ширина сигнала позволяет произвести его запись и воспроизведение, то имитационные структурно-прицельные помехи формируются путем циклического воспроизведения на частоте линии ранее записанного сигнала. Если определенны тип и структура сигналов, но ширина сигнала не позволяет произвести его запись, например, вследствие того, что используется сигналы ШПС или ППРЧ, то используется либо широкополосная шумовая помеха в полосе частот радиолинии

5) Если по результатам вскрытия сигнально-структурных параметров радиолиний определенны не только тип и структура сигналов, но также вскрыты формат и структура передаваемых данных, тип используемого протокола или кодека связи, то появляется возможность подмены управляющих команд БПЛА или передачи ложных данных путем формирования имитирующей помехи, прицельной по частоте и структуре сигнала, а также по структуре и формату передаваемых данных. Этот же тип помех может быть сформирован если в линии используется уязвимый или имеющий низкую криптографическую защищённость протокол шифрования. Наиболее распространенным примером такого подавления является вскрытие формата передаваемых видеоданных в канале "вниз", с записью и последующим циклическим воспроизведением ранее переданного видео, что фактически блокирует обратную связь для оператор

Приблизительная оценка эффективности подавления линий управления и передачи данных может быть оценена путем использования двух основных, относительно простых, подходов:

- расчет помехозащищенности (по показателю BER (Bit Error Rite) – вероятности ошибочного приема бита Pb) используемой в радиолинии комбинации сигнала и помехоустойчивого кода при достигаемом значении ОСШ на входе приемника, с последующем сравнением ее с предельными требуемыми значениями Pb тр для используемого протокола
связи;

- расчет энергетического бюджета радиолинии, с последующем сравнением полученного значения с предельными значениями чувствительности приемника.

При использовании этих подходов предполагается, что помеха представляет собой аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ) в полосе частот сигнала. Вопрос сведения сложных мультипликативных помех к эквивалентным аддитивным помехам, рассмотрен в работе.

Значение ОСШ q на входе приемника при постановке шумовой помехи средством РЭП в радиолинии равен (рис. 4):


Рис. 4. Вариант взаимного положения в пространстве БПЛА, ПУ и станции РЭП


Знание значения ОСШ на входе ПРМ и используемого типа сигнала позволяет определить значение вероятности ошибочного приема бита Pb. Сравнение значения Pb с требуемыми значениями Pb тр для КРУ и канала передачи данных (таблица 8) позволяет сделать вывод о потенциальной эффективности подавления

Таблица 8 – Требуемые значения достоверности передачи данных для КРУ и канала передачи данных


В теоретических работах для учета различных особенностей приема BPSK, QPSK и M-QAM, сигналов обосновываются различные аналитические выражения для расчета вероятности ошибки на бит Pb, достаточные для инженерного применения, в зависимости от энергетических соотношений ОСШ с АБГШ. На основе этих выражений, например, рассчитаны значения Pb для типовых сигнально-кодовых конструкций, используемых в линиях радиосвязи с БПЛА – рис. 7.

Рис. 7. Зависимость вероятности битовой ошибки Pb от ОСШ для типовых сигнально-кодовых конструкций, используемых в линиях радиосвязи с БПЛА


Для коррекции и экспериментальной проверки аналитических выражений оценки помехозащищенности Pb(q), для наиболее распространенных сигналов, типов кодирования (таблица 4 и 7), а также условий применения БПЛА были проведены экспериментальные исследования. Эксперименты проводилась по методике, представленной в работе. При этом рассматривались нижеуказанные модели многолучевого распространения

1. Модель гауссовской линии – соответствует радиолинии с АБГШ, в котором многолучевость полностью отсутствует, то есть рассматривается единственный прямой луч между ПРД и ПРМ. Таким образом, данная модель описывает идеальные условия распространения на трассе "ПУ – БПЛА", которые, как правило, не встречаются на практике, но зачастую соответствует верхней границе оценки помехозащищенности Pb, полученной расчетно-теоретическим путем.

2. Модель райсовской линии - соответствует радиолинии с помехами (АБГШ, импульсные и гармонические помехи), моделирует наличие прямого луча и нескольких отраженных лучей с разными мощностью и задержками прихода в точку приема, статистические свойства которых описываются распределением вероятностей Райса. Данная модель соответствует условиям полета БПЛА в прямой радиовидимости ПУ, с учетом переотражения электромагнитных волн от поверхности Земли и других объектов.

3. Модель рэлеевской линии – отличается от райсовской отсутствием прямого луча, при этом статистические свойства отраженных лучей описываются распределением вероятностей Рэлея. Соответствует условиям полета БПЛА в отсутствие прямой радиовидимости ПУ на относительно низкой высоте в пересеченной местности или в высотной городской застройке

Исследования линии радиосвязи ПУ – БПЛА проводились для QPSK, 16QAM, 64QAM сигналов. В качестве помехоустойчивого кода использовалось кодирование Витерби со скоростями R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. В качестве помехи рассматривалась шумовая помеха – АБГШ. При учете многолучевого распространения радиоволн использовались стандартные модели каналов RC20 и RL20. Влияние доплеровского сдвига частот не учитывалось. Результаты экспериментальной оценки помехозащищенности КРУ с QPSK, 16QAM, 64QAM сигналами, при типовой скорости кодирования R=3/4, представлены в виде среднего значения вероятности ошибки на бит Pb, который соответствует вероятности ошибочного приема бита после различных этапов декодирования (рис. 8 и 9) – на входе декодера Витерби (Pb in Vit) и на выходе этого декодера (Pb out Vit).

Анализ графиков на рис. 8 показал следующее. Значения показателей Pe out Vit на выходе декодера Витерби в райсовской линии (полет БПЛА в прямой радиовидимости ПУ) соответствует ухудшению их на 1,5-5 дБ относительно гауссовой линии, что соответствует значению потерь за счет приема переотраженных сигналов. По мере роста ОСШ q увеличивается отклонение показателей Pb out Vit, что соответствует изменению структуры ошибок (наблюдается группирование ошибочно принятых бит) в радиолинии и на выходе декодера Витерби.

Аналогичный эффект характерен и для рэлеевской модели радиолинии (полет БПЛА в отсутствии радиовидимости ПУ в пересеченной местности или в городских условиях) – рис. 9. Наблюдается сдвиг значений Pb out Vit на выходе декодера Витерби на 10-20 дБ вправо, в рэлеевской линии относительно гауссовской, а также серии ошибочных битов (до 10 бит), разделенных интервалами безошибочного приема до нескольких десятков секунд. Данное исследование качественно и количественно соответствует результатам, полученным в работе.



Оценка вклада помехоустойчивого кодирования в повышение помехозащищенности радиолиний связи с БПЛА проводилось путем оценки значения вероятности ошибки на бит на входе (Pb in Vit) и на выходе декодера Витерби (Pb out Vit). Данные значения для райсовской и рэлеевской радиолиний для кодовых скоростей R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 для сигнала 64QAM представлены на рис. 10.

Рис. 10. Влияние значения скорости кода на помехоустойчивость линии радиосвязи


По результатам анализа можно сформировать приблизительные предельные значения ОСШ q (таблица 9), при которых достигается требуемый уровень достоверности приема для типовых схем сигнально-кодовых конструкций, используемых в КРУ и в линии передачи данных. При ориентировании на эти данные следует иметь ввиду, что, как правило, разработчиками КРУ закладывается дополнительный запас на помехоустойчивость порядка 10 дБ. Указанные в таблице 9 данные является очень приблизительной и грубой оценкой, окончательная оценка требуемых энергетических затрат необходимых для нарушения функционирования КРУ и линии передачи данных средствами РЭП проводится после вскрытия сигнально-кодовых конструкций, используемых в радиолиниях "ПУ – БПЛА"

Значения ОШП в таблице 9 не учитывают возможности использования таких способов повышения помехозащищённости как расширение базы сигнала или использование режима ППРЧ. Вопросы воздействия помех на такие сложные типы сигналов как ШПС и ППРЧ рассмотрены в работах и соответственно.

Таблица 9 – Приблизительные значения ОСШ при которых достигается требуемый уровень достоверности приема в радиолиниях связи "ПУ – БПЛА" для типовых схем сигнально-кодовых конструкций

В случае если ТМИ интегрированы в видеоданные и передаются в едином потоке, то рекомендуется ориентироваться на наиболее "худший" для средств РЭП вариант – подавление радиолинии "вниз" с Pb тр = 10-3.

Для оценки помехозащищенности других сигнально-кодовых конструкций, которые не указаны в таблице 9, рекомендуется обратиться к достаточно полному справочнику. Достигаемое на входе ПРМ радиолинии значение ОСШ оценивается путем расчета энергетического бюджета радиолинии.

Подводя итог оценке возможностей подавления линий КРУ и передачи данных, необходимо еще раз акцентировать внимание на то, что несмотря на достаточные возможности существующих средств РЭП по эффективному подавлению этих линий, такое подавление не гарантирует какой-либо определенной реакции БПЛА в виде прекращения полета БПЛА в направлении контролируемого рубежа, активации "программы возвращения" или "программы посадки" и т.д. Именно отсутствие однозначной реакции БПЛА на успешное подавление радиолиний является существенным недостатком комплексов противодействия БПЛА основанным исключительно на РЭП.
Tags: БПЛА
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments