НИР Методы РЭБ в области космической навигации и обеспечение безопасности КА

1 Введение

Основным элементом содержания радиоэлектронной борьбы является нарушение радиообмена между радиоэлектронными средствами передачи информации путем постановки помех и фальшцелей. Вплоть до начала Второй мировой войны оно осуществлялось в отдельных средствах с помощью маскирующих помех. Для борьбы с первыми радиоэлектронными средствами извлечения информации (радиолокационными станциями) были разработаны эффективные приемы постановки пассивных помех, имитирующие реальные объекты и способствующие навязыванию противнику ложной информации. С развитием и совершенствованием средств радиоэлектронной борьбы открылись перспективы воздействия на радиоэлектронные средства дезинформирующими активными помехами, и даже если удается отфильтровать истинную информацию от ложной, наличие последней иногда значительно осложняет оценку обстановки в ходе боевых действий. Кроме того, воздействие на современную радиоэлектронную систему, имеющую в своем составе ЭВМ, может осуществляться внедрением по радиоканалу правдоподобных информационных сообщений, содержащих компьютерные вирусы, которые проникают по сети ЭВМ, вплоть до высших органов управления войсками и оружием. Наряду с этим массированное применение средств постановки помех в локальном районе приводит к изолированию таких радиоэлектронных средств от других. Наконец, современные средства радиоэлектронной борьбы, используя не только маскирующие, но и искажающие, дезинформирующие, блокирующие помехи, позволяют дезорганизовывать функционирование радиоэлектронных средств в глобальном масштабе, а реализация организационно-технических мероприятий по постановке различных помех способствует нарушению функционирования как локальных группировок радиоэлектронных средств, так и крупномасштабных радиоэлектронных систем.

2 Основные требования к защищенности КА

2.1 Классификация помех и радиосигналов

С информационной точки зрения сигналы можно разделить на детерминированные и случайные.

Детерминированным называют любой сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероятностью единица. Примерами детерминированных сигналов могут служить импульсы или пачки импульсов, форма, амплитуда и положение во времени которых известны, а также непрерывный сигнал с заданными амплитудными и фазовыми соотношениями внутри его спектра.

К случайным относят сигналы, мгновенные значения которых заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Такими сигналами являются, например, электрическое напряжение, соответствующее речи, музыке, последовательности знаков телеграфного кода при передаче неповторяющегося текста. К случайным сигналам относится также последовательность радиоимпульсов на входе радиолокационного приемника, когда амплитуды импульсов и фазы их высокочастотного заполнения флуктуируют из-за изменения условий распространения, положения цели и некоторых других причин. Можно привести большое число других примеров случайных сигналов. По существу, любой сигнал, несущий в себе информацию, должен рассматриваться как случайный.

Наряду с полезными случайными сигналами в теории и практике приходится иметь дело со случайными помехами — шумами. Уровень шумов является основным фактором, ограничивающим скорость передачи информации при заданном сигнале.

Рисунок 1. Виды радиосигналов

Дальнейшее подразделение сигналов можно связать с их природой: можно говорить о сигнале как о физическом процессе или как о закодированных, например, в двоичный код, числах.

В связи с этим сигналы в канале радиосвязи часто подразделяют на управляющие сигналы и на информационные; под первыми понимают модулирующие, а под вторыми — модулированные колебания.

Между тем сигналы от источника сообщений, а также после могут быть как непрерывные, так и дискретные (цифровые). В связи с этим применяемые в современной радиоэлектронике сигналы можно разделить на следующие классы:

o произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1а);

o произвольные по величине и дискретные по времени (рис. 1б);

o квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1в);

o квантованные по величине и дискретные по времени (рис. 1г).

Помеха - это любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

Существуют виды помех, искажающих передаваемые электромагнитные колебания уже в канале распространения. К числу таковых относятся:

- пассивные, образуемые в результате рассеяния (отражения) различными объектами электромагнитных (акустических) волн, излучаемых РЭС:

o атмосферные, обусловленные грозовыми разрядами и изменчивостью физических свойств атмосферы;

o индустриальные, связанные с эксплуатацией электроустановок различного назначения; межсистемные, создаваемые посторонними радиосредствами и неизбежные вследствие тесноты в эфире;

- активные, генерируемые специальными передатчиками помех:

o преднамеренные, умышленно излучаемые объектами, противодействующими той или иной РТС. Кроме того, помехи возникают и на самой приемной стороне, так как процессу преобразования волны в сообщение всегда сопутствуют шумы антенно-фидерного тракта и внутриприемные шумы.

В зависимости от способа наведения помех, соотношения ширины спектров помех и полезных сигналов маскирующие помехи подразделяют на:

o заградительные помехи - имеют ширину спектра частот, значительно превышающую полосу, занимаемую полезным сигналом, что позволяет подавлять одновременно несколько РЭС без точного наведения передатчика помех (ПП) по частоте. Их можно создавать, не имея полных данных о параметрах сигналов, подавляемых РЭС.

o прицельные помехи - имеют ширину спектра, соизмеримую (равную или в 1,5–2 раза превышающую) с шириной спектра сигнала, подавляемого РЭС. Недостатком прицельных помех является то, что они одновременно могут подавлять только одно РЭС, работающее в данном диапазоне волн.

По временной структуре излучения радиоэлектронные помехи подразделяются:

o непрерывные помехи - представляют собой непрерывные электромагнитные излучения, модулированные по амплитуде, частоте или фазе.

o импульсные помехи - имеют вид немодулированных или модулированных радиоимпульсов.

Разнообразные радиоэлектронные средства (РЭС), используемые для управления войсками и оружием подавить помехами одного вида невозможно. В связи с этим используют специальные виды помеховых сигналов, наиболее эффективно воздействующие на определённые типы и каналы РЭС. Кроме того, для подавления средств одного и того же класса, но использующих различные виды сигналов и способы их обработки, применяют отличающиеся друг от друга виды помех. Классификацию помех осуществляют по различным критериям. Рассмотрим некоторые из них, наиболее часто встречающиеся в литературе. По происхождению помехи разделяют на неорганизованные (естественные, неумышленные) и организованные (искусственные, умышленные). Неорганизованные помехи возникают вследствие отражений электромагнитной энергии от местных предметов, облаков, дождевых капель и других природных образований, а также от воздействия грозовых разрядов, электромагнитного излучения Солнца и космического пространства, радиоизлучения промышленных установок и т.д. Сюда же относятся помехи, создаваемые собственными шумами приёмных устройств, и взаимные помехи радиосредств, работающих на близких или совпадающих частотах. Организованные помехи создаются специальными средствами, предназначенными для подавления РЭС. В дальнейшем рассматриваются характеристики только организованных помех, способы их реализации, эффективность воздействия на различные каналы подавляемых РЭС.

Сильнее всего на работу НАП могут влиять пассивные организованные помехи. Пассивные помехи формируются за счёт отражения зондирующих сигналов, подавляемых РЭС от искусственно создаваемых отражателей, например, облаков дипольных отражателей ОДО (рис. 2), изменения свойств среды распространения радиоволн, уменьшения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) объектов защиты и т.п.

Рисунок 2. Формирование пассивных помех.

По характеру (эффекту) воздействия помехи разделяют на маскирующие, имитирующие и подавляющие.

Маскирующие помехи ухудшают характеристики приёмных устройств, подавляемых РЭС, создают на экранах индикаторов мешающий фон, который значительно затрудняет или полностью исключает обнаружение и распознавание объектов, выделение полезных сигналов, отражённых от целей, не позволяют измерить с необходимой точностью параметры сигналов, несущих информацию о состоянии целей (пространственном положении, параметрах движения и т.д.). Используя терминологию теории обнаружения, можно сказать, что вероятность правильного обнаружения при действии маскирующих помех может быть снижена практически до нуля. С увеличением мощности помех их маскирующее действие возрастает.

В свою очередь маскирующие помехи в зависимости от интенсивности воздействия на РЭС подразделяют на:

o сильные - превышают по уровню полезный сигнал, что исключает РЭС выполнение боевых задач),

o средние (соизмеримые с полезным сигналом, их воздействие вызывает потерю информации не менее 50%.),

o слабые (по энергетическому уровню не превышают потерю до 15% информации).

Имитирующие (дезинформирующие) помехи создают на входе подавляемой РЭС сигналы, подобные полезным, но имеющие ложные значения некоторых информационных параметров. Это приводит к потере части полезной информации, снижает пропускную способность подавляемой системы, вводит в заблуждение операторов, увеличивает вероятность ошибки в виде ложной тревоги, приближая её к единице.

Действие подавляющих помех основано на том, что усилительные тракты реальных приёмников РЭС имеют ограниченный динамический диапазон входных сигналов. Поэтому можно создать некоторое значение мощности помехового сигнала на входе РЭС, при котором приёмные каналы теряют возможность выполнять свои функции по выделению полезной информации. Особенно сильно перегружаются последние каскады УПЧ, рабочая точка которых при воздействии мощной помехи выходит за пределы линейного участка амплитудной характеристики и полезный сигнал подавляется помехой.

2.2 Влияние пассивных помех на НАП и КА

По мере все более широкого применения навигационной аппаратуры потребителей (НАП) различного назначения к ней растут требования по обеспечению высокой надежности и помехозащищенности, в том числе защиты от мощных маскирующих помех (МП), ложных имитационных помех (ИП), и помех, подобных реальным навигационным сигналам (НС).

Помехи создают на входе НАП фон, который затрудняет обнаружение радионавигационных сигналов орбитальной группировки и оценивание их параметров. Задача имитирующих помех другая – они должны заменить истинные, излученные спутником НС, ложными так, чтобы обнаружитель системы слежения и определения координат приемника не заметил подмены. Цель такой имитации – дезинформация противника относительно истинного местоположения. Простая дезинформация приводит к тому, что истинное местоположение заменяется некоторым случайным местоположением. Более амбициозная задача – управлять противником путем специального задания ему ложного маршрута.

Очевидны преимущества имитационных помех:

1. При воздействии ИП противник вообще не подозревает о том, что подвергся нападению, и, следовательно, не предпринимает ответных действий. В отличие от этого при выявлении МП у него есть возможность прибегнуть к целому ряду защитных действий:

o отказаться от навигации по глобальным спутниковым навигационным системам и использовать автономные навигационные системы, такие как инерциальная навигационная система или магнитный компас;

o осуществлять подавление широкополосных МП с помощью адаптивной антенной решетки (ААР), узкополосных МП на основе алгоритмов спектральной режекции, импульсных МП – временной режекцией;

o принять организационные меры по физическому уничтожению источников помех.

2. Мощность принимаемой ИП принципиально должна не слишком отличаться от мощности принимаемого навигационного сигнала S, т.е. отношение помеха/сигнал J/S ≈ 0…20 дБ. Для МП это отношение должно составлять J/S ≈ 50…60 дБ, а для НАП с ААР еще больше: J/S > 90 дБ. Следовательно, энергетический выигрыш ИП относительно МП огромен и составляет 30…60 дБ или 70…90 дБ для НАП с ААР.

3. Основным средством защиты от помех в НАП является ААР, которая осуществляет подавление помех, мощность которых превышает уровень внутренних шумов приемника. Так как мощность ИП сопоставима с мощностью реального сигнала (уровень шумов), то ИП проходит через ААР без ослабления.

Преимущества ИП относительно МП, приведенные выше, столь значительны, что вызывают постоянный интерес к возможностям и методам создания и применения ИП. Пристальное внимание к ИП особенно обострилось в последнее время в связи с целой серией публикаций в отечественной и зарубежной прессе, впрямую посвященных применению ИП.

Сегодня технология спутникового координатно-временного обеспечения по средствам навигационных систем ГЛОНАСС/GPS востребована не только для объектов на поверхности Земли и в околоземном пространстве, но и для космических аппаратов, находящихся на орбитах выше, чем орбиты навигационных КА (НКА), т.е. геостационарных и высокоэллиптических (ГСО и ВЭО). Наличие соответствующих навигационных приемников на борту этих КА значительно упрощает определение их местонахождения (рис. 3).

Рисунок 3. Зоны видимостей местонахождения КА

Так же, как и любая другая НАП, космическая НАП может быть подвержена воздействию комплексами противоспутниковой радиоэлектронной борьбы, в том числе и ИП.

3 Проектирование устройства генерации ИП для НАП

Так как в навигационных системах ГЛОНАСС/GPS не предусмотрено аутентификации навигационной информации (за исключением военного сигнала), гражданский НАП ориентируется только на полученные напрямую «из антенного входа» данные. Несложно определить, что если атакующая сторона имеет возможность передавать ИП НАП, то она может сфальсифицировать для этого приёмника любую конфигурацию спутников и, в общем случае, приёмник не сможет отличить виртуальные координаты от подлинных.

Существует возможность генерировать ИП с опережением по времени. Такая система может рассчитать, каким будет сигнал в заданной точке пространства в заданное время, что позволяет компенсировать затраты времени на генерацию ИП, и практически полностью снимает ограничения для такой системы РЭБ: она может имитировать любые конфигурации спутников и приёмника.

Система ИП для НАП работает по следующему принципу: генератор НС передающий имитацию сигнала нескольких спутников через антенну, на заданной частоте, при условии, что уровень ИП несколько превышает уровень сигнала реальных спутников, НАП будет «захватывать» поддельный сигнал и вычислять положение на его основе. В данной схеме все приёмники, попавшие в зону действия ИП, вычислят одни и те же координаты (окажутся в одной и той же «виртуальной» точке пространства), при этом у приёмников, находящихся (реально) в разных местах, автоматически возникнет небольшое рассогласование по времени. НС – периодический, соответственно, даже генерация «статической» ИП требует динамической передачи одних и тех же по фактическому содержанию навигационных сообщений. ИП можно сделать уводящей – такая помеха будет имитировать перемещение приёмника по заданной траектории.

НС спроектирован таким образом, чтобы сделать возможным приём на слабом уровне, ниже шумов. НАП используют тот или иной коррелятор, позволяющий получить достаточное соотношение сигнал/шум. Это, с одной стороны, означает, что сигнал ИП может совсем незначительно превышать мощность подлинного сигнала – коррелятор всё равно «переключится» именно за него (другими словами: обнаружить факт наличия ИП по возросшей мощности сигнала – не выйдет).

С другой стороны, НАП должен принять НС, и в дальнейшем работать с ним. Этот момент имеет важное значение: ИП для конкретного НАП можно сконфигурировать так, что прерывания обработки конкретного сигнала не произойдёт. Однако в случае с более простой системой генерации ИП, НАП, оказавшись в зоне действия ИП, потеряет сопровождаемый код и будет вынужден захватывать НС заново – этот процесс будет заметен. Постановка скрытной уводящей ИП гораздо сложнее, чем создание статичной ИП.

Для системы ИП гражданского сигнала не имеет значения, в какую именно точку пространства «перемещаются» попавшие в зону действия ИП устройства: как было отмечено выше, из-за того, что гражданский сигнал никак не защищён, его можно вычислять без ограничений на достаточно больших интервалах времени.

Технически, система ИП может быть построена на основе лабораторного генератора НС – специализированного устройства, позволяющего генерировать систему данных для большого числа спутников, и предназначенного для отладки НАП.

Построение системы ИП так же возможно на основе SDR (Software - defined radio – программно - определяемая радиосистема), для таких систем существует соответствующее программное обеспечение.

4 Обнаружение ИП, принятых НАП

Статичная ИП будет определяться по потере сигнала, с последующим восстановлением в совсем другой (имитируемой) точке пространства. Большинство навигаторов устроены крайне просто, поэтому отметка на карте перепрыгнет в произвольное место, заданное системой ИП (хотя этот прыжок мог бы обнаружить даже самый примитивный алгоритм).

Не менее интересен и аспект создания ИП для группы приёмников GPS, с сохранением их пространственной конфигурации относительно друг друга. При наличии трех НАП, находящихся на расстоянии нескольких сотен метров друг от друга, с известными расстояниями между ними известны. В случае обычной постановки ИП, после того, как приёмники захватят ложный сигнал, они «переместятся» в одну точку. Этот факт может являться основой для построения системы обнаружения ИП. Постановка ИП с сохранением конфигурации группы – оказывается чрезвычайно сложной задачей, решаемой, скорее, исключительно теоретически, потому что вычисление индивидуальных сигналов для каждого НАП, а также корректная доставка этих сигналов до НАП, потребует точную информацию о местоположении последних и сложные вычисления.

Структурная схема системы обнаружения ИП в НАП представлена на рисунке 4, данное устройство выступает в качестве буфера между антенной и НАП.

Рисунок 4. Устройство обнаружение ложного НС

В данном устройстве реализованы алгоритмы, которые оценивают характеристики НС:

o радиочастотную мощность,

o корректность геоданных

o корректность времени

Если устройство обнаруживает, что сигнал не соответствует нужным параметрам (например, выявлены аномалии в силе передачи), то он блокируется. В этом случае (или при потере связи со спутниками), запускает генератор эталонного времени — рубидиевые часы (режим holdover). Они поддерживают работоспособность всех систем, пока GPS-сигнал не будет восстановлен.

Наличие атомных часов в критических инфраструктурах, зависящих от НС позволят избежать проблем с синхронизацией оборудования в случае глобального сбоя навигационных систем. Однако работать такие часы будут лишь на протяжении пары месяцев.

5 Влияние ИП на КА

КА, находящиеся на круговых орбитах с высотами ниже 20 тыс. км (высота орбит НКА), являются более защищенными от ИП, так как их приемные антенны расположены в верхней части КА и для наведения помехи требуются другие КА, летящие над ними, что крайне сложно и дорого для реализации. Приемные антенны КА, находящегося на ГСО, направлены на Землю, так как улавливают сигналы от НКА перед их заходом и выходом из-за Земли (рис. 1).

Это значит, что бортовая НАП такого КА легко подвергается наведению ложного сигнала с поверхности Земли (рис. 5). В этом случае соответствующий наземный комплекс с имитационной аппаратурой постановки индивидуальной ИП для конкретного объекта с известными координатами может полностью дезориентировать КА и «увести» его из своей рабочей точки стояния с заданными координатами.

Рисунок 5. Позиционирование КА

6 Выявление ИП в КА

Существуют так называемые «простые» методы выявления в НАП ложных НС, которые относительно просто реализуются в современных приемниках и должны учитываться при их создании:

o слежение за абсолютной мощностью каждой несущей частоты НС;

o слежение за скоростью изменения мощности сигнала;

o слежение за относительными мощностями принимаемого сигнала;

o сравнение скоростей динамики кода и фазы;

o проверка целостности полученных данных.

Все эти методы считаются простыми в силу их давнего применения в наземной и околоземной аппаратуре потребителя НС и широкой известности. Однако необходимо учитывать существенное усложнение как самой НАП, так и их программно-математического обеспечения при использовании этих методов.

Кроме указанных способов защиты можно предложить реализуемые уже сегодня относительно более сложные способы различения сигналов НКА и ИП, использующие их пространственные отличия. Они предполагают наличие вместо одной приемной антенны нескольких разнесенных в пространстве. Разнесенные в пространстве антенны позволяют определить углы между осями объекта (условно проведенная прямая через две приемные навигационные антенны) и векторами направления сигнала за счет измерения разности фаз несущего сигнала.

Таким образом, проанализировав полученную навигационную информацию о положении НКА (альманах) и вектор прихода сигнала, можно различить сигналы, приходящие от НКА, обусловленные различием их направлений, и от постановщика помех с равным направлением прихода всех сигналов φ1* = φ2* = φ3* (рис. 5).

Единственный способ формирования пространственной радиоволны, подобной радиоволне навигационного сигнала, – это расположение постановщиков ИП на линии визирования от НАП к НКА, причем для имитируемого сигнала от одного НКА требуется свой постановщик ИП. Этот способ довольно сложен в реализации для малоподвижных наземных и околоземных потребителей НС и практически невозможен для КА на ГСО.

Наличие нескольких антенных элементов и возможность определения вектора прихода НС позволяют НАП решать не только навигационные, но и угломерные задачи. То есть становится возможным определять не только координаты, но и пространственное положение объекта относительно навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.

Заключение

Исходя из вышесказанного следует, что внедрение навигационной аппаратуры с разнесенными в пространстве антеннами на борт КА, находящегося на ГСО, позволяет без значительного удорожания и увеличения массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры решить проблему помехозащищенности бортовой НАП за счет выявления и исключения ложных НС, а также дополнительно повысить точность пространственной ориентации КА.

Литература

1. Справочник «Радиоэлектронные системы» – Основы построения и теория. / Под ред. Я.Д. Ширмана (изд. 2-е переработанное и дополненное), М.: «Радиотехника», 2007.

2. Радиотехнические системы. / Под ред. Ю.М. Казаринова, М.: «Высшая школа», 1990. – 496 с.

3. Чердынцев В.А. Радиотехнические системы, Минск: «Высшая школа», 1988. – 369 с.

4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб, и доп. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.

5. Никольский, Б. А. Основы теории систем и комплексов радиоэлектронной борьбы [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие /Б.А.Никольский; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т).