Рассмотрение метода повышения скрытности (маскировки) радиовысотомера летательного аппарата, с использованием хаотического процесса, генерируемого нелинейной динамической системой Икеды. Структурная схема модернизированного бортового устройства.
Аннотация к работе
Харьковский университет Воздушных Сил имени Ивана Кожедуба, Харьков С ПРИМЕНЕНИЕМ ХАОТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, СФОРМИРОВАННОГО НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ИКЕДЫ В статье рассматривается метод повышения скрытности (маскировки) радиовысотомера летательного аппарата, с использованием хаотического процесса, генерируемого нелинейной динамической системой Икеды.Исследования локальных вооруженных конфликтов в различных государствах и их военных учений показали, что превосходство боевой мощи не гарантировало благоприятного исхода операций, если системы управления различных командных инстанций оказывались подавленными средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) [1]. За двадцатилетний период средства РЭБ трижды подвергались существенным изменениям: в 1993, 2004 и 2010 годах [1], т.к. применения новых подходов скрытия радиоэлектронных средств и принципов обработки сигналов приводили к разработкам новых средств радиоэлектронного подавления (РЭП) [1]. Вместе с тем, особое внимание разработчиков привлекла возможность применения достижений теории динамического хаоса в решениях задач, связанных с повышением помехозащищенности бортового радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов, т.е. функционирования в условиях радиоэлектронного подавления. Хаотические процессы обладают следующими важными характеристиками: способностью выделять информацию по наблюдению хаотического сигнала без предварительной синхронизации, широким энергетическим спектром, а высокая чувствительность поведения хаотических динамических систем к начальным значениям делает их привлекательными для кодирования и (или) скрытности сигнала [6]. Перечисленные характеристики обусловили разработчиков к применению в измерительных системах, а именно в радиовысотомерах (РВ) летательных аппаратов (ЛА).Таким образом, в работе предложен вариант структурной схемы бортового радиовысотомера, с использованием генератора хаотических сигналов, практическая реализация которого не требует существенного изменения конструкции оборудования радиовысотомера.
Введение
Исследования локальных вооруженных конфликтов в различных государствах и их военных учений показали, что превосходство боевой мощи не гарантировало благоприятного исхода операций, если системы управления различных командных инстанций оказывались подавленными средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) [1]. За двадцатилетний период средства РЭБ трижды подвергались существенным изменениям: в 1993, 2004 и 2010 годах [1], т.к. применения новых подходов скрытия радиоэлектронных средств и принципов обработки сигналов приводили к разработкам новых средств радиоэлектронного подавления (РЭП) [1].
Вместе с тем, особое внимание разработчиков привлекла возможность применения достижений теории динамического хаоса в решениях задач, связанных с повышением помехозащищенности бортового радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов, т.е. функционирования в условиях радиоэлектронного подавления.
К настоящему моменту известны новые направления использования динамического хаоса [2 - 5]: в сетецентрических мультирадарных информационно-измерительных системах, в радиолокационных станциях (РЛС) и многопозиционных и много-канальных (multiple input - multiple output) MIMO РЛС, а также в радиотехнических системах передачи информации (РТС ПИ).
Однако, как оказалось, возможность применения теории динамического хаоса в бортовых радионавигационных системах недостаточно хорошо изучено и попрежнему остается актуальным.
Хаотические процессы обладают следующими важными характеристиками: способностью выделять информацию по наблюдению хаотического сигнала без предварительной синхронизации, широ-ким энергетическим спектром, а высокая чувствительность поведения хаотических динамических систем к начальным значениям делает их привлекательными для кодирования и (или) скрытности сигнала [6]. Перечисленные характеристики обусловили разработчиков к применению в измерительных системах, а именно в радиовысотомерах (РВ) летательных аппаратов (ЛА).
Целью данной работы является разработка метода маскировки радиосигнала при измерении истинной высоты радиовысотомером ЛА.
Изложение основного материала
Современные импульсные радиовысотомеры летательных аппаратов представляют собой импульсную радиолокацию, работающую в сантиметровом диапазоне, и предназначены для измерения истинной высоты полета ЛА [7]. Радиовысотомеры используются в основном при решении навигационных и ряда тактических задач (при прицеливании, бомбометании и фотографировании) [8].
Принцип измерения высоты основан на измерении временного интервала между моментами излучения радиоимпульсов и их приемами отраженных от поверхности земли [8].
Упрощенная структурная схема РВ [9], в которой реализованный импульсный метод, приведен на рис. 1, где: ГСВЧ - генератор сверхвысокой частоты, БС - балансный смеситель, УНЧ - усилитель низкой частоты, ФИ - формирователь импульсов, СИ - счетчик импульсов, УПТ - усилитель постоянного тока; УВ - указатель высоты, Апрд, Апрм - передающая и приемная антенны.
Ниже по контексту предлагается вариант Легко заметить, что временная реализация x(t) структурной схемы модернизированного радиовысотомера (рис. 2), отличающийся наличием блоков: хаотическим модулятором (ХМ) и демодулятором хаотического сигнала (ДХС).
(рис. 3) внешне схожа на случайный процесс. Вместе с тем, на рис. 4 демонстрируется фазовый портрет хаотического сигнала, который позволяет по его структуре изучить состояния динамической системы в различных колебательных режимах.
Генератор хаотического процесса описывается нелинейным дифференциальным уравнением перво-го порядка Икеды [10]: Видно, что аттрактор (рис. 4) динамической системы (2) имеет сложную структуру и отождествляет хаотический режим.
Кроме этого исследуются автокорреляционная функция C(n) хаотического сигнала и его энергетический спектр G(?), которые представлены на рис. 5 и 6. x(t) ? ?x(t)???sin?x(t ??0 )???, (1) где ? - фазовый сдвиг; ? - коэффициент пропорциональности обратной связи; ?0 - время задержки [10].
?
Подмешивание импульсов отсчета s(t) в хаотический процесс, выполняется манипуляцией динами- Рис. 5. Автокорреляционная функция ХС ческой переменной x(t) следующим образом [5]: x(t) ? ??x(t)?s(t)?c????sin?x(t ??0 )???, (2)
?
Заметим, что на автокорреляционной функции хаотического сигнала (рис. 5) наблюдается макси- где с - уровень импульсов s(t).
В качестве примера на рис. 3 приведена временная реализация хаотического сигнала (ХС) x(t) , полученного в результате моделирования алгоритма (2) при таких значениях: ?=50, ?=800, с=10 и ?=?/2. Дифференциальное уравнение Икеды (2) решалось численным методом Рунге - Кутты четвертого порядка с шагом интегрирования h ? 0,001 и начальными значениями x(t0 ?t? ) ? 0,01. мум при п = 0 и убывающие до нуля боковые кривые при п > ± ?.
Рис. 6. Энергетический спектр ХС
Отметим, что на рис. 6 энергетический спектр хаотического сигнала обладает свойствами динамиче-скогохаоса, характеризуемый как узкополосный шум.
Не меняя общности вышесказанного, ниже предлагается алгоритм выделения импульсов по наблюдению хаотического сигнала y(t) , который выполнялся обращением уравнения (2) относитель-Рис. 3. Временная реализация ХС но s(t) при условии, что известны параметры дина-
103
Системи озброєння і військова техніка, 2014, № 1(37) мической системы в результате этого, получили выражение [5]: s(t) ? ???sin?x(t ??0 )???? y(t)?y(t)?. (3)
?
Поскольку в выражении (3) производная хаотического сигнала o(t) неизвестна, однако доступ-
? но наблюдение o(t) , то воспользовавшись численным методом приближенного дифференцирования по четырем дискретным отсчетам, получили недостающую производную o(t) [5].
?
На рис. 7 приведена зависимость s(t), полученная в результате моделирования алгоритма измерения высоты, на основе системы Икеды. Кривая 1 отображает излученные импульсы, а кривая 2 отраженные импульсы. После процедуры выделения импульсов s(t), сигнал ограничивался по уровню.
Рис. 7. Временная диаграмма
Временная диаграмма, изображенная на рис. 7, подтверждает адекватность предложенной математической модели измерения истинной высоты, с использованием хаотического процесса.
Вывод
Таким образом, в работе предложен вариант структурной схемы бортового радиовысотомера, с использованием генератора хаотических сигналов, практическая реализация которого не требует существенного изменения конструкции оборудования радиовысотомера. Кроме этого, рассмотренная математическая модель измерения истинной высоты, позволяет повысить скрытность функционирования («под шум») радиовысотомера летательногоаппарата.
ISSN 1997-9568
Список литературы
1. Иванов И. Содержание и роль радиоэлектронной борьбы в операциях XXI века / И. Иванов, И. Чадов // Зарубежное военное обозрение. - 2011. - №1. - С. 14-20.
2. Васюта К.С. Мультирадарная информационно-измерительная система на основе хаотических сигналов / К.С. Васюта, Ф.Ф. Зоц, С.В. Озеров // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - Муром.: МВЛГУ, 2013. - Вып. 3 (11). - С. 25-32.
3. Васюта К.С. Анализ влияния флюктуаций параметров хаотического сигнала на качество его корреляционной обработки в измерительных радиотехнических системах / К.С. Васюта, Ф.Ф. Зоц, С.В.Озеров // Системи обробки інформації.- Х.:ХУПС. - 2012.- Вип. 7(105). - С. 60-63.
4. Васюта К.С. MIMO РЛС основанная на применении ортогональных хаотических сигналов в сетецентри-ческой системе ПВО / К.С. Васюта, Ф.Ф. Зоц, С.Н. Ковалевский // Системи обробки інформації. - Х.: ХУПС. - 2013. - Вип. 1 (108). - С. 21-24.
5. Барсуков А.Н. Выделение бинарного сообщения по наблюдению хаотического сигнала, сформированного динамической системой Икеды / А.Н. Барсуков // Збірник наукових праць ХУПС. - Х.: ХУПС. - 2013. - Вып. 2 (35). - С. 67-70.
6. Фалькович С.Е. Основы статистической теории радиотехнических систем. Учеб. пособие / С.Е. Фалькович, П.Ю. Костенко. - Х.: Нац. аэрокосмический ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2005. - 390 с.
7. Рябцов А.Л. Бортовые средства радионавигации / А.Л. Рябцов, В.Я. Нартов, А.И. Яковлев. - М.: Воен. изд, 1993. - 300 с.
8. Ярлыков М.С. Авиационные радионавигационные устройства и системы / М.С. Ярлыков, В.А. Болдин, А.С. Богачев. - Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1980. - 384 с.
9. Суханов О.Ю. Бортові радіонавігаційні пристрої та системи. Ч.1. Амплітудні та частотні радіонавігаційні пристрої: навч. посіб. / О.Ю. Суханов, О.Ю. Ященок. - Х.: ХУПС, 2013. - 230 с.
10. Laurent Larger From Flow to Map in an Experimental High-Dimensional Electro-Optic Nonlinear Delay Oscillator / Larger Laurent, Lacourt Pierre-Ambroise, Poin-sot Ste.phane, and Hanna Marc // PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 95. - 2005. - 043903. - Р. 043903-(1-4).
Поступила в редколлегию 19.02.2014
Рецензенты: канд. техн. наук, ст.научн. сотр. А.А. Красноруцкий; канд. техн. наук, доц. А.Ю. Суханов, Харьковский университет Воздушных Сил им. И. Кожедуба, Харьков.
ПІДВИЩЕННЯ СКРИТНОСТІ БОРТОВОГО РАДІОВИСОТОМІРА, ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ХАОТИЧНОГО ПРОЦЕСУ, СФОРМОВАНОГО НЕЛІНІЙНОЇ ДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМОЮ ІКЄДИ
У статті розглядається метод підвищення скритності (маскування) радіовисотомір літального апарату, з використанням хаотичного процесу, генерованого нелінійної динамічної системою Ікєди. Пропонується структурна схема модернізованого радіовисотомір великих висот.
This article discusses a method of increasing masking altimeter aircraft using chaotic process generated by a nonlinear dynamical system Ikeda. Offered a block diagram of the upgraded altimeter greater heights.
Keywords: chaotic process, hiding, radio altimeter.