Главная | Научная деятельность | Издания | Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, А.В. Немчилов, А.А. Чаплыгин / 2007

Научная деятельность

Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, А.В. Немчилов, А.А. Чаплыгин / 2007
Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи УДК 621.391.372

Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, А.В. Немчилов, А.А. Чаплыгин. Под ред. В.И. Борисова. ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2007. -354 с.; ил.150. ISBN 5-900777-15-4

Приводится обобщенная структурная схема и математическая модель функционирования систем радиосвязи в условиях радиоэлектронного подавления. Рассмотрены основные типы многоканальных обнаружителей сигналов и их рабочие характеристики. Проводится оценка помехоустойчивости типовых систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) и двутональными многочастотными (DTMF – dual-tone multi-frequency) сигналами при воздействии различных типов помех. Рассматриваются пространственные и вероятностно-временные возможности станций помех при подавлении ППРЧ и DTMF сигналов. Приводятся варианты аппаратурной реализации станций и их основные характеристики. Также рассматриваются передатчики помех как средство противодействия радиоуправляемым взрывным устройствам и утечке информации через радиоизлучение.

Книга предназначена для научных работников, инженеров-разработчиков и студентов старших курсов, специализирующихся в области исследования и разработки станций подавления и помехозащищенных систем радиосвязи.

Ил.150. Табл.35. Библиогр.156 назв.

Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор Г.С.Нахмансон
доктор техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Б.И.Шахтарин

Предисловие

Вопросы помехозащищенности всегда являлись важнейшим аспектом развития современной статистической теории связи и ее приложений. Наибольшая необходимость в решении этих вопросов возникла, когда участились террористические акты, локальные вооруженные конфликты. Поэтому необходимость противодействия электронным средствам терроризма стала актуальнейшей задачей современности.

Одной из задач противодействия является радиоэлектронное подавление сигналов короткой длительности, таких как сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) и двутональные многочастотные (DTMF) сигналы, используемые для активизации взрывных устройств. Станция ответных помех (СОП), имея в своем составе аппаратуру радиоразведки для решения задач подавления систем радиосвязи с сигналами короткой длительности, должна выполнять следующее: обнаружение сигналов систем радиосвязи, оценивание параметров (в частности частоты сигнала) и, наконец, генерирование и излучение помехи в необходимом частотном диапазоне. При этом увеличение длительности наблюдения с целью повышения точности обнаружения и оценивания сигнала приводит к уменьшению времени накрытия ответной помехой оставшейся части частотного элемента. Данное обстоятельство может резко снизить результирующую эффективность станции ответных помех, поэтому динамика функционирования СОП в условиях обнаружения и подавления сигналов короткой длительности может быть описана вероятностно-временной моделью.

Методология вероятностно-временной модели и ее основные положения даны в книге В.И.Борисова и В.М.Зинчука «Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход» (М.: Радио и связь, 1999, 252 с.). В настоящей книге приводятся основные положения вероятностно-временной модели, необходимые для понимания излагаемого материала, и на основе этой модели проводится оценка эффективности СОП.

В первой главе приводятся общие соотношения для вероятностей ошибок при многоальтернативном различении сигналов в условиях действия запаздывающих помех радиоэлектронного подавления (РЭП). Приводятся также основные соотношения для расчета физических ограничений возможностей станции ответных помех при подавлении сигналов короткой длительности.

Этапу подавления предшествует обнаружение сигналов и оценка его параметров, в первую очередь частоты несущей подавляемого сигнала, поэтому во второй главе рассматриваются различные виды многоальтернативных обнаружителей с фиксированным временем обнаружения, которые могут использоваться станцией радиоразведки для обнаружения сигналов, и приводится расчет их рабочих характеристик.

В третьей главе на основе критерия среднего времени накрытия сигнала ответной помехой рассмотрены синхронный и асинхронный режимы подавления и получено оптимальное время обнаружения и излучения ответной помехой. При этом также предполагалось фиксированным время, отводимое на обнаружение.

Как показал Абрахам Вальд (Вальд А. «Последовательный анализ». Пер. с англ. под ред. Б.А.Севастьянова, М.: Физматгиз, 1960, 328 с.), эффективность алгоритмов с фиксированным объемом выборки можно улучшить. Применяя последовательные процедуры обнаружения при тех же вероятностях ложных тревог и правильного обнаружения можно сократить средний объем выборки, либо при одном и том же среднем объеме снизить вероятность ложной тревоги и пропуска сигнала. При этом (по крайней мере, для бинарного случая) не существует алгоритмов, которые могли бы улучшить данный результат. Поэтому применение последовательных процедур устанавливает близкие к предельным возможности обнаружения сигналов станцией ответных помех. Данному вопросу посвящена четвертая глава.

В пятой главе приводятся типовые структурные схемы систем радиосвязи с ППРЧ, дается оценка их помехозащищенности при воздействии различных видов помех. На основе вероятностно-временной модели детально рассмотрены пространственные и вероятностно-временные возможности станции ответных помех при подавлении сигналов с ППРЧ.

В шестой главе рассмотрены типовые алгоритмы кодирования и декодирования DTMF-сигналов. Построена математическая модель алгоритмов декодирования и проведена оценка их помехозащищенности к воздействию различных видов помех. Проведен анализ эффективности станции помех при подавлении систем радиосвязи с DTMF-сигналами.

Седьмая глава посвящена вопросам аппаратурной реализации станции ответных помех. Здесь приводится структура и основные элементы станции, описывается алгоритм работы, даются основные характеристики и внешний вид станции ответных помех тактической радиосвязи.

Восьмая глава посвящена вопросам подавления команд в канале радиоуправления взрывными устройствами. Приводятся основные характеристики и внешний вид разнообразных конструкций передатчиков помех. Рассматривается также вопрос обеспечения надежной связи при решении задач подавления в канале радиоуправления.

Поскольку книга в первую очередь предназначена для разработчиков устройств радиоэлектронного противодействия, а также для инженеров-практиков, авторы стремились всюду, где это возможно, упрощать используемый математический аппарат. Тем не менее, работа с книгой потребует от читателя серьезных знаний в области радиотехники в рамках известных монографий В.И.Тихонова «Статистическая радиотехника» (М.: Сов. радио, 1983, 678 с.) и Б.Р.Левина «Теоретические основы статистической радиотехники» (М.: Радио и связь, 1989, 656 с.), а также теории вероятностей и математической статистики.

Несмотря на то, что вероятностно-временная модель по своей сути описывает конфликт в радиоэлектронных системах, общие вопросы теории конфликта в явном виде в книге не рассматриваются. Обстоятельное изложение теории конфликта заинтересованный читатель может найти в книге доктора технических наук, профессора В.И.Кузнецова «Радиосвязь в условиях радиоэлектронной борьбы» (Воронеж, ВНИИС, 2002, 403 с.)

Авторы выражают благодарность сотрудникам ОАО «Концерн «Созвездие» Ю.Г.Белоус, Т.В.Доровских, О.И.Сорокиной, Т.Ф. Капаевой, Ю.Н.Максюта, Е.В.Погосовой, Л.В.Гридневой, М.В. Смагиной, С.Н.Ложкину, Е.В.Дмитриеву за проведение численных расчетов, компьютерный набор, подготовку и оформление графического и иллюстративного материала книги.

Первые шесть глав книги написаны всеми авторами совместно, седьмая глава написана А.В.Немчиловым, восьмая - А.А.Чаплыгиным. Общее редактирование книги выполнено член-корреспондентом РАН В.И.Борисовым.

Станция ответных помех тактической радиосвязи в походном состоянии.

Автоматизированная станция помех КВ радиосвязи в развернутом состоянии.

Содержание

Предисловие 3

Глава 1.
ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ПОДАВЛЕНИЯ 7
1.1. Обзор подходов к оценке помехозащищенности систем радиосвязи в условиях РЭП 7
1.2. Модели и краткая характеристика основных видов помех 15
1.3. Обобщенная структурная схема и математическая модель функционирования систем радиосвязи в условиях РЭП 15
1.4. Общие выражения для расчета вероятности ошибок при многоальтернативном различении сигналов в условиях действия запаздывающих помех РЭП 34
1.4.1. Постановка задачи 34
1.4.2. Общее выражение для вероятности ошибочного различения при конечном времени передачи и действии помехи РЭП со случайным временем запаздывания 35
1.4.3. Примеры численного расчета помехозащищенности радиолиний связи в условиях следящих помех РЭП на основе вероятностно-временной модели 39
1.5. Физические ограничения возможностей ответных помех по подавлению систем радиосвязи с ППРЧ 42
1.5.1. Пространственные характеристики станции подавления заградительной шумовой помехой 43
1.5.2.  Пространственно-временные возможности станции ответных помех 45
1.5.3. Вероятностно-временная модель без учета поисковых возможностей станции РТР 49
1.6. Влияние точности измерения частоты на время срабатывания и на мощность ответной помехи на входе приемника СРС 52
Литература к главе 1 55

Глава 2.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ С ФИКСИРОВАННЫМ ВРЕМЕНЕМ НАБЛЮДЕНИЯ 57
2.1. Обнаружение сигналов неизвестной структуры 57
2.2. Широкополосный энергетический обнаружитель 67
2.3. Оптимальный многоальтернативный обнаружитель 67
2.4. Многоальтернативный когерентный обнаружитель 67
2.5. Многоальтернативный некогерентный обнаружитель 77
2.6. Обнаружение сигналов с использованием быстрого преобразования Фурье 85
2.7. Многоканальные энергетические обнаружители 93
2.7.1. Квазиоптимальный многоканальный обнаружитель 93
2.7.2. Многоканальный обнаружитель типа сумматора с блоком фильтров 95
2.7.3. Модель обнаружителя типа сумматора с блоком фильтров при перехвате сигналов с медленной ППРЧ 98
2.7.4. Многоканальный обнаружитель типа сумматора с блоком фильтров в части полосы 105
2.7.5. Рассогласование по времени и частоте между характеристиками сигнала с ППРЧ и параметрами обнаружителя 109
2.8. Многоканальный адаптивный энергетический обнаружитель в условиях воздействия мешающих сигналов 112
2.8.1. Структурная схема многоканального адаптивного энергетического обнаружителя с регулировкой порогового уровня 112
2.8.2. Вероятность ложной тревоги и адаптивная регулировка порогового уровня 115
2.8.3. Вероятность обнаружения 119
2.8.4. Влияние рассогласования по времени на обнаружение сигналов 121
2.9. Обнаружитель с постоянным уровнем ложных тревог 128
2.9.1. Постановка задачи обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог 128
2.9.2. Структурная схема обнаружителя с использованием дополнительной обработки 132
2.9.3. Рабочие характеристики обнаружителя с ПУЛТ 137
2.9.4. Результаты численных расчетов рабочих характеристик обнаружителя с ПУЛТ 142
Литература к главе 2 145

Глава 3.
ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТВЕТНЫХ ПОМЕХ 149
3.1. Синхронный и асинхронный режимы подавления 149
3.2. Решение оптимизационной задачи 154
3.3. Численные результаты и их анализ 156
3.4. Влияние времени накрытия на отношение сигнал-помеха, создаваемых станцией ответных помех, при заданной вероятности ошибки приема 168
Приложение 1. Эквивалентность многоальтернативного критерия Неймана-Пирсона и среднего времени накрытия 171
Приложение 2. Уточненная модель для среднего времени накрытия 173
Литература к главе 3 176

Глава 4.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ С ППРЧ 177
4.1. Постановка задачи 179
4.2. Функция отношения правдоподобия и ее моменты 184
4.2.1. Функция отношения правдоподобия многоканальной системы для одного временного дискрета 184
4.2.2. Когерентное обнаружение 185
4.2.3. Некогерентное обнаружение 187
4.3. Функция отношения правдоподобия для n временных интервалов 193
4.4. Критерии обнаружения 195
4.4.1. Расчет критерия на основе выборки постоянного объема (критерий Неймана-Пирсона) 195
4.4.2. Последовательный критерий отношения вероятностей (критерий Вальда) 197
4.4.3. Усеченный последовательный критерий 197
4.4.4. Характеристики критериев 198
4.4.5. Взаимосвязь критериев 200
4.5. Порядок численных расчетов 202
4.6. Основные формулы для расчета 203
Приложение к главе 4. Выбор параметров для TST-критерия 205
Литература к главе 4 207

Глава 5.
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТВЕТНЫХ ПОМЕХ ПРИ ПОДАВЛЕНИИ СИГНАЛОВ С ППРЧ 209
5.1. Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты 209
5.1.1. Краткий исторический очерк 209
5.1.2. Расширение спектра сигналов методом ППРЧ 212
5.2. Типовые структурные схемы систем радиосвязи с ППРЧ 216
5.3. Общая характеристика помехоустойчивости типовых систем радиосвязи с ППРЧ 222
5.4. Оценка помехоустойчивости типовых систем радиосвязи с ППРЧ и частотной модуляцией 224
5.4.1. Условная вероятность ошибки на бит информации при двоичной ЧМ 224
5.4.2. Оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с ППРЧ при воздействии шумовых помех в части полосы 227
5.4.3. Оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с ППРЧ при воздействии ответных шумовых помех 233
5.4.4. Оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с ППРЧ при воздействии гармонических помех 238
5.4. Оценка помехоустойчивости типовых систем радиосвязи с ППРЧ и частотной модуляцией 245
5.4.1. Условная вероятность ошибки на бит информации при двоичной ЧМ 252
5.5.1. Вероятностно-временная модель без учета поисковых возможностей станции РТР 252
5.5.2. Вероятностно-временная модель с учетом поисковых возможностей станций РТР 258
5.6. Селекция сигналов СРС с ППРЧ по направлению прихода 260
Литература к главе 5 263

Глава 6.
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНЦИИ ПОМЕХ ПРИ ПОДАВЛЕНИИ DTMF-СИГНАЛОВ 265
6.1. Определение DTMF-сигналов 266
6.2. Математические модели DTMF-сигналов и помех 267
6.2.1. Генерирование DTMF-сигнала 267
6.2.2. Моделирование ограниченного по полосе белого гауссовского шума 271
6.3. Декодирование DTMF-сигнала 272
6.3.1. Построение общей схемы алгоритма декодирования 272
6.3.2. Базовый алгоритм декодирования 276
6.3.3. Закон распределения вероятностей статистик на выходах каналов декодера 280
6.4. Общие соотношения для расчета вероятностей выполнения статуса DTMF-сигнала 287
6.4.1. Ограничения на твист 289
6.4.2. Совместное выполнение условий статуса DTMF-сигнала 290
6.4.3. Вероятность ложной тревоги 291
6.5. Алгоритм вычисления вероятностей выполнения статуса при воздействии гауссовского шума 291
6.6. Алгоритм вычисления вероятностей выполнения статуса при воздействие квазигармонических помех 297
6.7. Вероятность ошибки при приеме телефонного номера 306
6.8. Пространственные характеристики станции подавления заградительной шумовой помехой 307
6.9. Предельные эллипсы подавления 310
Приложение к главе 6. Алгоритмы вычисления вероятностей выполнения рекомендаций ITU> 312
Литература к главе 6 315

Глава 7.
АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СТАНЦИЙ ОТВЕТНЫХ ПОМЕХ 317
7.1. Назначение и основные характеристики станций ответных помех 317
7.2. Структура и основные элементы станции ответных помех 318
7.3. Краткая характеристика алгоритмов работы станции ответных помех 321
7.4. Основные характеристики и внешний вид станции ответных помех 323
7.4.1. Изделие РП-330А-РМ1 330
7.4.2. Изделие РП-330Б-РМ1 332

Глава 8.
ПЕРЕДАТЧИКИ ПОМЕХ КАК СРЕДСТВО ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ РАДИОУПРАВЛЯЕМЫМ ВЗРЫВНЫМ УСТРОЙСТВАМ И УТЕЧКЕ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ 334
8.1. Характеристики радиолинии управления взрывными устройствами 334
8.2. Основные принципы построения передатчика помех 337
8.3. Передатчики помех семейства РП-377УВМ (шифр «Крыша») 339
8.3.1. Возимый передатчик РП-377УВМ1 339
8.3.2. Передатчик ранцевого типа РП-377УВМ2 340
8.3.3. Передатчик РП-377УВМ3 342
8.4. Другие варианты передатчиков помех КВ, УКВ, и ДЦВ диапазонов 343
8.4.1. Передатчики изделий «Диапазон-М» и «Диапазон-М-01» 343
8.3.1. Возимый передатчик РП-377УВМ1 339
8.4.2. Малогабаритный передатчик «Туман-Д» 345
8.4.3. Изделие «Дмир-1» 346
8.4.4. Возимый передатчик «Дмир-2 347
8.4.5. Передатчик ранцевого типа «Дмир-3» 348
8.5. Методы организации каналов связи при воздействии собственных ПП 349