Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. М.Є.ЖУКОВСЬКОГО „ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.396

МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ПЕРЕШКОДОЗАХИЩЕНОСТІ РАДІОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ КОСМІЧНИМИ АПАРАТАМИ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РАЧИНСЬКИЙ Костянтин Олександрович

Харків 2006

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створення та застосування систем космічного зв'язку та передачі інформації є одним з найбільш розвинених напрямків практичного використання космічного простору. Досвід експлуатації цих систем показує, що необхідна якість їхнього функціонування в істотній мірі залежить від перешкодозахищеності радіоканалів передачі інформації.

Обсяги циркулюючої в космічних системах зв'язку та передачі інформації вже сьогодні перевищують сотні мегабайт і спостерігається тенденція їхнього збільшення. Обмеження, що накладають на час передачі великого обсягу інформації, пов'язані з особливостями космічних систем зв'язку й управління космічними апаратами (КА), висувають на перший план питання підвищення вірогідності передачі інформації в умовах ліміту тимчасового ресурсу радіоканалу. У той же час космічні системи управління цілком доступні для навмисної постановки перешкод і не забезпечують у радіотехнічній системі необхідну на сьогоднішній день перешкодозахищеність.

Захист інформації в існуючих космічних системах зв'язку та управління КА здійснюється з використанням складних широкосмугових сигналів і апаратур спецперетворень. У цих системах не передбачений захист від навмисних імітаційних перешкод і перешкод, які були ретрансльовані, а апаратура спецперетворень дозволяє забезпечити лише пасивний захист від нав'язування помилкових команд. Алгоритми такого захисту засновані на відмові від прийнятої інформації, якщо в прийнятому повідомленні є помилки, що в ряді випадків приводить до зривів сеансів зв'язку. З огляду на той факт, що в умовах твердого ліміту тимчасового ресурсу радіоканалу відмова від інформації тягне невиконання ряду команд і тимчасових програм, що закладають на «борт» КА, а також непідтвердження прийняття інформації бортовими апаратурами, то рішення завдання комплексної автентичності в космічних системах зв'язку й управління КА досить актуально.

Дослідження показали, що відповідно до алгоритму функціонування командної радіолінії, захисту підлягають особливо важливі команди, тимчасові програми й спеціальна інформація, квитування «борт-земля», масиви даних, які були передані у каналах «Земля-борт» і «борт-земля», а також забезпечення цілісності та дійсності прийому на наземні РТС телеметричній і спеціальній інформації.

У відомих роботах на системному рівні показано, що при модернізації існуючих і розробці перспективних радіоканалів управління КА, основну увагу варто приділити питанням перешкодозахищеності. У розвиненому в даних роботах підході завдання перешкодозахищеності зв'язують із ансамблевими й кореляційними властивостями складних сигналів у відриві від дискретних алгоритмів перетворення інформації.

У цих роботах сформульовані й доведені необхідні й достатні умови реалізації динамічного режиму функціонування. Однак у цих роботах відсутні практичні рекомендації динамічного режиму функціонування, що не дозволяє визначити вірогіднісно-тимчасові характеристики захищеності перспективних командно-вимірювальних і телеметричних радіоліній.

У деяких роботах завдання забезпечення перешкодозахищеності зв'язують тільки з ансамблевими характеристиками сигналів і не враховують особливостей функціонування радіоканалу.

Тому актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена необхідністю розробки й удосконалювання методів забезпечення перешкодозахищеності командно-вимірювальних і телеметричних радіоканалів управління космічними апаратами на основі дискретної передачі інформації й динамічної зміни форм складних сигналів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в межах Державної (Національної) космічної програми України, одним з напрямків проведених досліджень є вдосконалювання існуючих і створення нових телекомунікаційних наземних радіотехнічних систем і комплексів управління КА.

Автор роботи брав участь у виконанні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт з модернізації наземного автоматизованого комплексу управління та створення на їхній основі НКУ КА однопунктної технології побудови - першим Національним КА “Січ-1”, а також удосконалюванні НКУ КА, що відображено в дослідно-конструкторських роботах (ДКР) “Модернізація”, “Центр”, “Січ-1”, “Управління” і підтверджено отриманими актами реалізацій.

Зазначені теми науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт виконувалися автором у Головному центрі випробувань і застосування космічних систем Міністерства оборони України.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності методів забезпечення перешкодозахищеності командно-телеметричних радіоканалів управління КА на основі застосування нелінійних дискретних алгоритмів і динамічної зміни форм складних сигналів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі сформульовані й вирішені наступні основні задачі:

- розглянуті особливості функціонування радіоканалів управління космічними апаратами в системі космічного зв'язку;

- проаналізовані можливості підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем управління космічними апаратами;

- розроблений метод підвищення перешкодозахищеності командно-вимірювальних і телеметричних радіоканалів управління КА;

- удосконалений метод дослідження характеристик складних квазіортогональних систем сигналів з урахуванням особливостей нелінійних динамічних процесів у РТС управління КА;

- проведено експериментальну перевірку розроблених науково-практичних рекомендацій з підвищення якості функціонування РТС в умовах складної електромагнітної обстановки;

- оцінено перешкодозахищеність вдосконаленої РТС у порівнянні з існуючими системами.

Об'єкт дослідження - процес передачі інформації в радіоканалі управління КА.

Предмет дослідження - методи підвищення ефективності приймально-передавальних пристроїв радіотехнічних систем управління КА.

Методи дослідження - Теоретичною базою для рішення сформульованого завдання стали основні роботи з теорії статистичних рішень, теорії інформації, теорії завадостійкості, теорії поширення радіохвиль, а також теорії побудови радіоприймальних пристроїв.

Поряд з аналітичними розрахунками в дисертаційній роботі було використано імітаційне моделювання, реалізоване на персональній ЕОМ. Узагальнюючі висновки були зроблені на основі обліку результатів моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше запропонований метод підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем на основі адаптивного методу високошвидкісної передачі кодованої інформації, який використовує понадвисокочастотний (ПВЧ) і крайньовисокочастотний (КВЧ) діапазони при прийомі радіосигналу від залежності рівня сигналу.

2. Вперше запропоновано застосування методу підвищення ефективності функціонування радіосистем з урахуванням впливу нелінійних ефектів, що виникають при розповсюдженні радіохвиль ПВЧ і КВЧ діапазонів.

3. Доведена можливість стійкого прийому-передачі інформації в істотно нестаціонарних каналах зв'язку з апріорно невідомими моментами зміни якості передачі.

4. Запропонований і вдосконалений науково-методичний апарат дослідження основних напрямків підвищення ефективності функціонування систем радіозв'язку при обліку впливу нелінійності в радіоприймальних системах.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Доведено, що запропонований метод дозволяє підвищити ефективність функціонування радіосистем з урахуванням нелінійних ефектів, виникаючих при розповсюдженні радіохвиль ПВЧ і КВЧ радіодіапазонів

2. Обгрунтовані вимоги до технічних параметрів пристроїв формування ансамблів похідних квазіортогональних систем сигналів із заданими властивостями.

3. Результати роботи можуть бути використані при проектуванні і модернізації радіотехнічних систем і комплексів управління космічними апаратами при використанні однопунктної технології в Національному центрі управління та випробувань космічних засобів Національного космічного агентства України.

4. Отримані результати дозволяють підвищити якість проведення сеансів управління з КА, понизити енергоспоживання передаючих пристроїв до 15% та збільшити об'єм інформаційних потоків в 1,2 разу.

Достовірність результатів.

Достовірність отриманих результатів дисертаційних досліджень підтверджується їхньою несуперечністю з відомими положеннями теорії інформації, теорії статистичних рішень, а також співвідношенням отриманих результатів з результатами імітаційного модулювання.

Особистий внесок здобувача.

У дисертаційну роботу включені положення, що знайшли своє відбиття в 5 опублікованих в співавторстві роботах у збірниках наукових праць, які входять у перелік видань, дозволених ВАК України для публікацій отриманих результатів досліджень з технічних наук.

При цьому особистий внесок автора в спільних роботах полягає: [1] - досліджені умови адаптації при високошвидкісній передачі кодованої інформації; [2] - запропоновані шляхи підвищення стійкості прийому радіосигналу в умовах радіоелектронного придушення; [3] - проведено аналіз адаптивних методів підвищення завадостійкості прийомних пристроїв РТС; [4] - проведено аналіз основних напрямків підвищення ефективності функціонування систем радіозв'язку; [5] - розроблений принцип побудови оптимального просторово-сигнального виявлювача крайньовисокочастотних радіосигналів.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень доповідалися на 6 міжнародних і міжвідомчих науково-технічних конференціях:

1. 1-й військово-науковій конференції «Научные проблемы повышения эффективности и совершенствования вооружения войск и артиллерии сухопутных войск, способов их боевого применения и эксплуатации, а также технического, метрологического и химического обеспечения» (Харків: ХВУ, 1995).

2. 10-й військово-науковій конференції (Житомир: ЖВУРЕ ППО, 1996).

3. 1-й науково-технічній конференції військ ППО (Харків: ХВУ, 1999).

4. 2-й науково-технічній конференції «Удосконалення систем і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки» (Харків: Науковий метрологічний центр (військових еталонів), 1999).

5. 4-й міжнародній конференції «Системный анализ и управление космическими комплексами» (Євпаторія: НЦУВ КЗ, 1999).

6. Міжнар. конф. «От солнечной короны через межпланетный космос в магнитосферу и ионосферу Земли: Интербол, JSTP спутники и наземные наблюдения» (К.: КПІ, 2000).

Публікації.

Основні результати досліджень опубліковані в 4 статтях у науково-технічних збірниках і доповідалися на 6 міжнародній і міжвідомчій науково-технічній, військово-науковій конференціях і семінарах, які опубліковані в тезах доповідей. Матеріали роботи використовували в 3 звітах науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація складається із введення, 4 розділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 142 сторінки машинописного тексту, у тому числі 17 рисунків на 11 сторінках, 13 таблиць на 10 сторінках, список використаної літератури 99 найменувань на 10 сторінках, 3 додатка на 3 сторінках.

Основний зміст роботи

У введенні розкривається актуальність теми дисертації, зв'язок роботи з науковими програмами та планами організацій, поставлені цілі та окремі наукові завдання досліджень, наукова новизна й практична значимість отриманих результатів. Показано публікації результатів дисертації, їхня реалізація та апробація, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі роботи на підставі огляду літератури й аналізу недоліків відомих методів підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем управління космічними апаратами проведений аналіз особливостей функціонування РТС передачі інформації (управління КА). Обґрунтовуються вимоги до каналу управління й вибираються показники ефективності функціонування РТС в умовах ведення радіо- і радіотехнічної розвідки (РРТР) і радіоелектронного придушення (РЕП). Відзначається необхідність розробки нових методів автентифікації інформації й проведення досліджень у даному напрямку. На основі введених показників якості функціонування проведена оцінка основних характеристик існуючих супутникових систем зв'язку й передачі даних.

Показано, що забезпечуючи досить високі показники перешкодозахищеності на дискретному рівні за рахунок застосування спеціальних апаратур, командна радіолінія виявляється незахищеною на рівні сигналів. Пов'язано це в першу чергу з тим, що на сигнальному рівні не є реалізованими методи захисту від нав'язування помилкових сигналів, а також, з використанням у якості складних широкосмугових сигналів М-послідовностей, що мають незадовільні ансамблеві та структурні властивості. Крім того, енергетичні й частотні ресурси системи викорисовуються вкрай неефективно.

Забезпечити більш високі показники перешкодозахищеності можливо за рахунок реалізації динамічного режиму функціонування на сигнальному рівні й застосуванні методів багатоосновного кодування. Режим динамічного функціонування на сигнальному рівні припускає зміну за законом керуючої послідовності відповідності несучої частоти й форми широкосмугового сигналу інформаційному символу. Як показали дослідження максимальна ефективність застосування динамічного режиму функціонування досягається при спільному використанні більших ансамблів слабкокорельованих між собою дискретних широкосмугових сигналів.

Проведено аналітичний огляд традиційних методів підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем управління космічними апаратами.

Показано недоліки традиційного науково-методичного апарата для аналізу перешкодозахищеності РТС управління КА. За результатами проведеного дослідження проводиться аргументована постановка загального й конкретного завдань для досягнення мети роботи.

У другому розділі на основі проведених у першому розділі досліджень про можливості підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем управління космічними апаратами розглядається завдання синтезу квазіортогональних систем сигналів із заданими кореляційними, структурними й ансамблевими характеристиками. Формуються вимоги до структури сигналу із заданими властивостями, проводяться дослідження статистичних характеристик функцій кореляції. На основі запропонованих вимог розглядаються алгоритми формування нелінійних квазіортогональних систем сигналів.

Нехай рівень бічних пелюстків періодичної функції автокореляції (ПФАК) нелінійних квазіортогональних систем сигналів із числом елементів є обмеженим значеннями , де - номер циклічного зрушення функції кореляції. Тоді система нерівностей, що визначає границі області сигналу, має вигляд:

(1)

де - елемент дискретного сигналу ,,.

Після перетворень маємо

За умовою того, що b - натуральне число, отже вираз у фігурних дужках також натуральне число , що задовольняє умові

Тоді, вважаючи, що , а - приймає цілі позитивні значення, визначимо область припустимих значень

(2)

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Черепков С.Т., Рачинский К.А., Рачинский А.П., Пашков Д.П. Разработка адаптивного метода высокоскоростной передачи кодированной информации // Сб. наук. пр. К.: ІПМЕ, НАНУ. 2004. Вып. 25. С. 259-264.

2. Горобец Ю.А., Рачинский К.А., Башкиров А.М., Пашков Д.П., Рачинский А.П. Повышение стойкости управления в условиях радиоэлектронного подавления // Системы обработки информации. X.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. 2004. Вып. 1 (7). С. 179-182.

3. Черепков С.Т., Рачинский К.А., Рачинский А.П., Пашков Д.П., Коломийцев А.В. Особенности адаптивных методов повышения помехоустойчивости приемных устройств // Системы обработки информации. X.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. 2004. Вып. 1 (7). С. 179-182.

4. Слепов Л.И., Блаженный В.И., Пашков Д.П., Рачинский К.А., Богдановский А.Н. Повышение эффективности функционирования системы связи, автоматизации управления и радиотехнического обеспечения // Системы обработки информации. X.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. 2004. Вып. 1 (7). С. 179-182.

5. Черепков С.Т., Пашков Д.П., Рачинський К.О., Рачинський О.П Побудова оптимального просторово-сигнального виявлювача радіосигналів у наземних радіотехнічних системах / Зб. наук. пр. К.: ПМЕ НАНУ. 2005. Вип.32. С. 259-264.

Анотація

Рачинський К.О. Метод підвищення перешкодозахищеності радіотехнічних систем управління космічними апаратами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського „ Харківський авіаційний інститут”. - Харків, Україна, 2005.

Робота присвячена розробленню методу підвищення перешкодозахищеності командно-вимірювальних і телеметричних радіоканалів управління космічними апаратами на основі дискретної передачі інформації й динамічної зміни форм складних сигналів

У дисертації запропонований метод підвищення перешкодозахищеності ПВЧ та КВЧ РТС на основі:

- розробленої методики аналізу нелінійних ефектів і оцінки їх впливу на перешкодозахищеності РТС управління КА;

- методики дослідження основних напрямків підвищення якості функціонування систем радіозв'язку при обліку впливу нелінійності в радіоприймальних системах;

- застосуванням механізму адаптації за рівнем вхідного сигналу, при кодуванні інформації в радіосигналі.

Ключові слова: пристрій кодування, перешкодозахищеності, нелінійні ефекти, адаптивність, космічний апарат.

Аннотация

Рачинский К.А. Метод повышения помехозащищенности радиотехнических систем управления космическими аппаратами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского „ Харковский авиационный институт”. - Харьков, Украина, 2005.

Работа посвящена разработке метода повышения помехозащищенности СВЧ и КВЧ РТС управления КА, на основе применения нелинейных дискретных алгоритмов и динамической смены форм сложных сигналов.

Показано, что для повышения помехозащищенности радиотехнических систем необходимо использовать производные квазиортогональные и сложные квазиортогональные системы сигналов.

Анализ показал, чтобы обеспечить требуемые показатели командно-измерительных и телеметрических радиолиний управления КА можно за счет применения сложных сигналов с базой больше 10⁷ 10^10.

При этом радиоканал может не обеспечивать требуемые временные характеристики передачи команд управления.

Кроме того, увеличение базы фазоманипулированного сигнала за счет расширения ширины спектра сигнала не приводит к энергетическому выигрышу.

Поэтому представляется целесообразным создание новых методов повышения помехозащищенности РТС управления КА.

В диссертации предложен метод повышения помехозащищенности СВЧ и КВЧ РТС управления КА на основе:

- разработанной методики анализа нелинейных эффектов и оценки их влияния на помехозащищенность РТС управления КА;

- методики исследования основных направлений повышения качества функционирования систем радиосвязи при учете влияния нелинейности в радиоприемных системах;

- применением механизма адаптации по уровню входного сигнала, при кодировании информации в радиосигнале.

Выполнены экспериментальные исследования разработанного метода повышения помехозащищенности СВЧ и КВЧ РТС управления КА. Полученные экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуются с расчетами и подтверждают эффективность предложенного метода.

Результаты диссертационной работы представляется целесообразным применить при разработке и модернизации РТС в радиолиниях управления космическими аппаратами.

Ключевые слова: устройство кодирования, помехозащищенность, нелинейные эффекты, адаптивность, космический аппарат.

Annotation

радіотехнічний радіоканал зв'язок перешкодоздатність

Rachinskiy K.A. The method of interference immunity enhancement of the spacecraft control radio systems. - Manuscript.

It is a Ph. D. Thesis, specialty 05.12.17 - Radio and Television Systems. Zhukovskiy National Aerospace University; Kharkov Aeronautics Institute.

The thesis is devoted to development of the method of interference immunity enhancement of tracking & control and telemetry radio channels of spacecraft control based on the discrete data transmission and dynamic form variation of complex signals.

The method of interference immunity enhancement of the EHF and SHF radio systems given in the thesis is based on:

- the developed method for the nonlinear effects analysis and their impact assessment on the interference immunity of the spacecraft control radio systems;

- the method of investigation of the key ways for the better operation of the radio systems considering the nonlinearity influence in the receiving radio systems;

- adaptation mechanism application according to the input signal level along with the radio signal information coding.

Key words: coding device, interference immunity, nonlinear effects, adaptability, spacecraft.

Размещено на Allbest.ru