eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2024
М. Е. Белкин, Е. В. Кузнецов
Перспективные радиофотонные средства групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты
Перспективные радиофотонные средства групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты
Просмотры: 766
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.1.48.62
Основываясь на интенсивно развивающемся в мире радиофотонном подходе, уже нашедшем применение в перспективных радиоэлектронных средствах телекоммуникации, радиолокации, радиоэлектронного противодействия, безопасности, вычислительной и измерительной техники, в статье предложен новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот. Приводятся схемы оптоэлектронных процессоров, описание разработанных образцов радиоэлектронной защиты с функциями спуфинга либо блокирования несанкционированных радиоканалов и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Основываясь на интенсивно развивающемся в мире радиофотонном подходе, уже нашедшем применение в перспективных радиоэлектронных средствах телекоммуникации, радиолокации, радиоэлектронного противодействия, безопасности, вычислительной и измерительной техники, в статье предложен новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот. Приводятся схемы оптоэлектронных процессоров, описание разработанных образцов радиоэлектронной защиты с функциями спуфинга либо блокирования несанкционированных радиоканалов и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Теги: blocking electronic countermeasures microwave-photonics approach optoelectronic processor spoofing unauthorized radio channel блокирование несанкционированный радиоканал оптоэлектронный процессор радиофотонный подход радиоэлектронная защита спуфинг
Перспективные радиофотонные средства групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты
М. Е. Белкин
РТУ МИРЭА, Москва, Россия
Е. В. Кузнецов
АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Основываясь на интенсивно развивающемся в мире радиофотонном подходе, уже нашедшем применение в перспективных радиоэлектронных средствах телекоммуникации, радиолокации, радиоэлектронного противодействия, безопасности, вычислительной и измерительной техники, в статье предложен новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот. Приводятся схемы оптоэлектронных процессоров, описание разработанных образцов радиоэлектронной защиты с функциями спуфинга либо блокирования несанкционированных радиоканалов и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Ключевые слова: радиофотонный подход, несанкционированный радиоканал, радиоэлектронная защита, оптоэлектронный процессор, спуфинг, блокирование
Статья получена: 12.01.2024
Статья принята: 08.02.2024
Введение
Анализ современного мирового развития радиоэлектронных систем (РЭС) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона показывает, что наиболее эффективным путем решения стратегически важной проблемы, заключающейся в улучшении пропускной способности, массогабаритных и стоимостных характеристик, энергопотребления, надежности современных РЭС СВЧ диапазона гражданского и военного назначений является применение для формирования и обработки сигналов методов и подходов радиофотоники (microwave photonics) [1–5]: нового междисциплинарного направления, созданного на стыке СВЧ радиоэлектроники и фотоники. Реализация данного подхода в РЭС СВЧ диапазона, помимо значительного улучшения вышеуказанных технико-экономических показателей, дополнительно приведет к улучшению таких важных характеристик РЭС двойного назначения, как электромагнитная совместимость, стойкость к внешним воздействиям (в том числе преднамеренным), экологичность.
Устройства и узлы радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона на базе фотонной и радиофотонной технологий, в том числе устройства обработки радиосигналов, а также радиоэлектронные системы двойного назначения с применением радиофотоники широко исследуются и разрабатываются в университетах и научных секторах крупных фирм промышленно развитых зарубежных стран, однако данное важное для оборонного потенциала страны направление очень слабо развивается в России, и уже наметилось значительное отставание. Для поиска путей и создания условий его преодоления в последние годы при НТС ОПК создана специальная рабочая группа по радиофотонике, которой разработана Программа развития отечественной радиофотоники на 2016–2025 годы. Кроме того, Фондом перспективных исследований ОПК разработана Дорожная карта по фотонике и радиофотонике. Реализация намеченных планов в настоящее время осуществляется целым рядом университетов, учреждений Российской академии наук и предприятий радиоэлектронной промышленности.
Следуя этому, в данной статье радиофотонный подход рассматривается как новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты до нескольких километров, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите до сотен пикосекунд, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот шириной до несколько октав. Приводятся схемы сверхширокополосных оптоэлектронных процессоров с памятью от сотен пикосекунд до десятков микросекунд, описание разработанных образцов групповой и индивидуальной защиты и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Современные средства радиоэлектронной защиты
В общем современное развитие телекоммуникационных, радиолокационных и других электронных средств все интенсивнее характеризуется использованием оборудования, дистанционно управляемого по радиочастотным (РЧ) каналам. Применяемые в настоящее время радиосредства дистанционного управления и воздействия (ДУВ), от которых может потребоваться групповая либо индивидуальная защита объектов, классифицируются по назначению на гражданские, военные и двойного назначения, по среде действия – на воздушную, водную, космическую, по характеру эксплуатации – на фиксированные или мобильные, а также по рабочему диапазону частот, протяженности зоны обслуживания, массогабаритным, стоимостным и другим характеристикам. Управление устройствами военного и двойного назначений стандартно осуществляется по беспроводным РЧ-каналам с различным уровнем безопасности [6], которые в зависимости от принадлежности сторон конфликта («свои» или «чужие») можно классифицировать как санкционированные или несанкционированные.
Обзор мировой литературы показал, что наиболее критичным примером групповой защиты от воздействия несанкционированных РЧ-каналов является рой летательных воздушных объектов (ЛВО) любого назначения. Кроме того, наиболее важными объектами индивидуальной защиты в настоящее время считаются РЧ-каналы стационарных дистанционно управляемых самодельных взрывных устройств (ДУ-СВУ) в антитеррористической деятельности [7, 8] и беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в военной или криминальной сфере [9–11]. Для эффективного решения задачи в этом направлении нами несколько лет назад был разработан и предварительно исследован реактивный радиофотонный блокиратор (РФБ) с временем реакции на сигнал подрыва менее 1 мкс, работающий во всей полосе частот существующих и перспективных ДУ-СВУ от 20 МГц до 6 ГГц [12–14]. В развитие предложенного подхода в данной статье описаны результаты наших исследований по применению радиофотонного подхода для блокирования радиоканалов дистанционного управления и навигации современных БПЛА [15–17] и других радиоуправляемых средств нападения.
Принципы построения средств радиоэлектронной защиты на базе радиофотонного подхода
Как отмечено ранее, радиофотонный подход уже нашел применение в таких важных направлениях современной радиоэлектронной промышленности как телекоммуникации, где объектами защиты могут быть сети доступа волоконно-беспроводной архитектуры сотовых сетей поколения 5G, а также межсоединительные линии беспроводных центров обработки данных, и, кроме того, радиолокация, радиоэлектронное противодействие, безопасность, вычислительная и измерительная техника. Общий принцип построения аппаратуры, компонентная база, причины возникновения, история развития и уровень современного состояния радиофотоники рассмотрены в [5]. Ниже же будут описаны конкретные примеры применения радиофотонной технологии для построения средств радиоэлектронной защиты.
Сверхширокополосность радиофотонной технологии позволяет создавать эффективные средства радиоэлектронной защиты на базе обоих известных в настоящее время подходов [18]: спуфинга (то есть постановки имитационных помех приему) и блокирования (то есть недопустимого ухудшения качества приема) радиоканалов ДУВ. Оптимальный вариант построения устройства защиты в данном случае определяется расстоянием между источником и объектом радиоэлектронного воздействия. А именно при относительно больших расстояниях, когда суммарное время задержки зондирующего и отраженного радиолучей превышает несколько микросекунд, наиболее эффективным вариантом как групповой, так и индивидуальной защиты от несанкционированного радиоэлектронного воздействия является спуфинг. При этом устройство защиты должно быть расположено в составе объекта воздействия. С другой стороны, при защите от несанкционированного радиоканала, источник которого расположен в относительной близости от объекта ДУВ, наиболее эффективный путь индивидуальной защиты состоит в блокировании радиоканала с помощью отдельно расположенного устройства. Типичными примерами применения спуфинга являются групповая либо индивидуальная защита летательных средств от обнаружения зондирующим радиосигналом недружественного радиолокатора, а блокирования – индивидуальная защита от установленного на объекте ДУ-СВУ или от дистанционно управляемого нападающего БПЛА.
Общая структурная схема предложенного радиофотонного защитного устройства (РФЗУ) представлена на рис. 1. Схема содержит входную и выходную антенны, а также входной и выходной усилители, между которыми введен блок оптоэлектронного процессора (ОЭП). К основным требованиям к входным и выходным антеннам и усилителям относятся эффективное функционирование во всем рабочем РЧ диапазоне и достаточный общий коэффициент усиления для надежного спуфинга либо блокирования всех радиоканалов с учетом потерь в ОЭП порядка 30–35 дБ.
Радиофотонное устройство групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты на базе спуфинга
Принцип построения
Структурная схема ОЭП РФЗУ на базе спуфинга (РФЗУ-С) приведена на рис. 2. Согласно общему принципу построения радиофотонного узла [5], обязательными элементами схемы являются: полупроводниковый лазерный излучатель (ПЛИ), с помощью которого осуществляется электрооптическое преобразование принятого РЧ сигнала, фотодетектор (ФД), с помощью которого осуществляется обратное оптико-электрическое преобразование на ту же РЧ несущую, и расположенная между ними оптическая рециркуляционная петля (ОРЦП), посредством которой выполняется обработка выходного сигнала ПЛИ в оптическом диапазоне. Ее обязательными элементами являются стандартный пассивный оптический разветвитель (ОР) Х-типа с двумя входами 1, 3 и двумя выходами 2, 4, и подсоединенная между выходом 4 и входом 3 оптическая линия задержки (ОЛЗ). Принцип действия ОР такого типа состоит в том, что подаваемый на практически развязанные между собой входы 1 и 3 оптический сигнал равномерно распределяется между выходами 2 и 4, а ОЛЗ реализуется с помощью одномодового оптического волокна определенной длины, задержка сигнала в котором составляет порядка 4,7 мкс/км. Помимо этого, в схему рис. 2 введены необязательные элементы, включая оптический и РЧ усилители (ОУ и РЧУ), назначение которых состоит в компенсации потерь соответственно в оптическом и/или РЧ трактах ОЭП РФЗУ-С.
Отметим, что ОЛЗ, например, при групповой защите может быть в многоотводном исполнении с неодинаковой длиной плеч [19] так, чтобы организовать неравномерную последовательность передаваемых РСЗУ-С ложных копий.
Описание экспериментального образца
Для подтверждения корректности и эффективности предложенного подхода и проведения подтверждающих испытаний, на основе схем рис. 1 и 2 был сконструирован и изготовлен экспериментальный образец, внешний вид которого приведен на рис. 3.
Разработанный экспериментальный образец обладает следующими ключевыми параметрами: масса 3,6 кг, габариты 220 × 168 × 70 мм, энергопотребление не более 20 Вт, рабочая полоса частот 0,25–18 ГГц, минимальное время задержки 0,4 мкс, максимальное число копий 128.
Экспериментальное исследование
Сквозная амплитудно-частотная характеристика ОЭП РФЗУ-С (без РЧУ) в полосе 0,1–26 ГГц приведена на рис. 4. Как следует из рисунка, вследствие известных потерь при электрооптическом и оптико-электрическом преобразованиях, а также в ОРЦП, которые скомпенсированы в усилительных трактах РФЗУ, собственный коэффициент передачи ОЭП на средней рабочей частоте составляет –37 дБ, а полоса ОЭП по уровню 3 дБ: 0,25 ± 18 ГГц, то есть соответствует заданным требованиям.
Измеренные характеристики отношения сигнала к шуму (ОСШ) на выходе экспериментального образца, пример которых на несущей частоте входного радиосигнала 10 ГГц при длительности радиоимпульсов от 5 до 10 мкс приведен на рис. 5, показали, что ОСШ в полосе 25 МГц составляет более 45 дБ при отключенной ОРЦП и более 25 дБ при подключенной ОРЦП, что подтверждает работоспособность разработанного РФЗУ-С.
Радиофотонное устройство индивидуальной радиоэлектронной защиты на базе блокирования
Принцип построения
Структурная схема ОЭП РФЗУ на базе блокирования (РФЗУ-Б) приведена на рис. 6. Как следует из рисунка, она так же, как и на рис. 2, содержит ПЛИ и ФД с предварительным РЧ усилителем. Между ними также введен узел обработки в оптическом диапазоне [5], в данном случае реализованный на основе двуплечего волоконного интерферометра Маха-Цандера (ВИМЦ), содержащего два пассивных оптических разветвителя 1 × 2 и два стандартных одномодовых оптических волокна (ОВ) разной длины (L и L0). В ВИМЦ благодаря разнице длин ОВ в каждом из плеч (то есть разному времени задержки) на выходе РФЗУ-Б формируются ложные копии обрабатываемого оптического сигнала. Основными требованиями к ОЭП являются эффективное блокирование радиоканала дистанционного управления объектом во всем радиочастотном диапазоне.
Описание экспериментального образца
Для подтверждения корректности и эффективности предложенного подхода и проведения подтверждающих испытаний на основе схем рис. 1 и рис. 6 был сконструирован и изготовлен экспериментальный образец РФЗУ-Б РФБ‑1, внешний вид которого со снятым радиопрозрачным колпаком приведен на рис. 7. Как следует из рисунка, он состоит из прямоугольного корпуса, в котором к узлам схемы рис. 1 добавлен узел электропитания и индикации режима работы встроенного аккумулятора и антенного блока, содержащего приемную (слева) и передающую (справа) антенны Вивальди (ширина диаграммы направленности около 60°, коэффициент усиления ≈7 dBi). Для увеличения развязки между передающим и приемным РЧ трактами антенны расположены под углом 90° и разделены металлическим экраном. На передней панели РФБ‑1 размещены: клемма заряда аккумуляторной батареи, индикатор уровня заряда аккумулятора, тумблер включения индикатора и тумблер включения/выключения питания. Время работы от встроенного аккумулятора не менее 1,5 часа. На переднюю панель также выведены два оптических разъема, предназначенные для оперативного подбора оптимальной длины плеча L ВИМЦ (см. рис. 6) путем введения внешнего ОВ определенной длины. Внешние размеры корпуса образца 330× 300 × 80 мм, масса 2,8 кг, рабочая полоса частот 0,8–6 ГГц. Отметим, что выбранная рабочая полоса полностью соответствует рабочему диапазону частот современного дистанционно управляемого БПЛА, например, Autel EVO Max 4T, управляемого пультом оператора на переключаемых четырех частотах 0,9; 2,4; 5,2 и 5,8 ГГц, а также находится в пределах основной части полосы приемника ДУ-СВУ, приводимого в действие с помощью команды сотового телефона поколений 4G и 5G.
Основные параметры РФБ‑1 выбирались из следующих соображений: потери радиосигнала в свободном пространстве на расстоянии 1 км согласно известной формуле с учетом усиления антенн составляют на верхней рабочей частоте 6 ГГц около 90 дБ.
Следовательно, при выходной мощности РЧ сигнала 1 Вт уровень входной мощности должен быть –60 дБм. Кроме того, согласно данным производителя примененного полупроводникового лазера уровень модулирующего РЧ сигнала должен находиться в пределах –5…3 дБм. Кроме того, расчет коэффициента передачи ОЭП рис. 6 с учетом вносимых потерь в двух оптических разветвителях и чувствительности фотодетектора составляет порядка –35…–40 дБ. С учетом вышеприведенных данных коэффициент передачи входного усилителя должен быть около 55 дБ, что реализовано на двух каскадно соединенных усилителях производства АО «Микроволновые системы», Москва. Кроме того, входящий в состав ОЭП рис. 6 предварительный РЧ усилитель с коэффициентом усиления 40 дБ реализован собственными силами, а в качестве выходного усилителя использован усилитель мощности модели RFLUPA02M06GA производства фирмы RF-Lambda, США.
Лабораторные исследования
Прежде всего с целью подтверждения эффекта блокирования на всех несущих частотах современного беспилотника и определения требований к оптимальной разности задержек в плечах ВИМЦ были проведены лабораторные исследования РФБ‑1. Чтобы исключить влияние местных каналов CNSS и WiFi, работающих на близких частотах, испытания проводились без выхода в эфир, т. е. без антенн. Их влияние моделировалось путем введения в измерительную установку соответствующих аттенюаторов. Сначала была измерена общая амплитудно-частотная характеристика образца с помощью векторного анализатора цепей. Результат измерений представлен на рис. 8. Как следует из рисунка, неравномерность получилась не более 5 дБ во всей рабочей полосе.
Дальнейшие испытания проводились во временной области с использованием осциллографа реального времени при подаче на вход испытуемого устройства импульсного РЧ-сигнала с заполнением РЧ несущей, частота которой соответствовала каждому из четырех каналов контроллера БПЛА Autel EVO Max 4T. Пример измерения входного и выходного испытательных сигналов на частоте 0,9 ГГц показан на рис. 9. Как следует из сравнения осциллограмм при прямом подключении контроллера БПЛА и через испытуемый РФБ‑1, соответствующая обработка сигналов в РФЗУ-Б привела к хаотическому искажению их формы с разным уровнем шума при обработке импульса и паузы, что свидетельствует о наличии эффекта блокировки передаваемого сигнала из-за искажения формы импульса и резкого ухудшения отношения сигнал/шум. Аналогичные картины наблюдались на остальных рабочих частотах канала управления БПЛА.
Как известно, качество передачи РЧ сигналов с повсеместно используемой в современных передающих устройствах цифровой модуляцией стандартно определяется путем измерения значения магнитуды вектора ошибки (EVM). Данный ключевой параметр был измерен в ходе лабораторных исследований с помощью цифрового осциллографа реального времени при подаче на вход образца РФЗУ-Б соответствующего РЧ сигнала от векторного генератора сигналов. В результате на рис. 10 представлены графики зависимости значений EVM от разности временной задержки (TDD) в плечах ВИМЦ L и L0 (см. рис. 6) для широко используемого в современных передающих радиоустройствах формата двухпозиционной цифровой фазовой модуляции (BPSK) при скоростях передачи от 10 кбит/с до 2 Мбит/с и всех рабочих РЧ несущих испытуемого БПЛА. Горизонтальными пунктирными линиями на графиках показан стандартный порог EVM ретранслируемого РФБ‑1 цифрового РЧ сигнала, равный 17,5%.
Как следует из графиков, на всех скоростях и всех РЧ несущих наблюдается одинаковый ход зависимости качества передаваемого сигнала от TDD, а именно приемлемое качество передачи для практически одинаковых TDD плеч ВИМЦ и его ухудшение до недопустимо высоких значений, когда их разница превышает определенный порог. Таким образом, из полученных экспериментальных результатов можно сделать однозначный вывод, что предложенная схема РФЗУ-Б позволяет надежно и эффективно блокировать любые радиочастотные сигналы от пульта оператора (ПО) БПЛА при минимальной разнице задержек в плечах ВИМЦ 270 пс, что соответствует разности их длин всего лишь 5,5 см.
Предварительные натурные испытания
Вышеописанные результаты лабораторных исследований были качественно проверены в ходе двух натурных испытаний с использованием БПЛА моделей Autel EVO Max 4T и DJI Mavic Pro 2 и штатных устройств дистанционного управления (ДУ). Результаты испытаний приведены в таблице. Как следует из нее, проведенные предварительные натурные испытания показали общую работоспособность разработанного принципа построения устройства блокирования радиоканалов современного БПЛА. Ухудшение надежности блокирования с увеличением расстояния от БПЛА до образца РФБ‑1 связано с его недостаточной выходной мощностью и неоптимальностью примененных антенн Вивальди.
Заключение
В статье на основе радиофотонного подхода развит новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Его ключевыми достоинствами являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты до нескольких километров, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите до сотен пикосекунд, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот шириной до несколько октав. Приводятся описание и схемы двух вариантов оптоэлектронных процессоров для защитных устройств на принципе спуфинга с памятью до десятков микросекунд и для защитных устройств на принципе блокирования с временем реакции до сотен пикосекунд, описание разработанных экспериментальных образцов групповой и индивидуальной защиты и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний. Проведенные лабораторные исследования обоих вариантов защитных устройств и предварительные натурные испытания с использованием реальных БПЛА показали его принципиальную пригодность для единовременного спуфинга канала дистанционного воздействия при групповой защите, а также блокирования всех радиоканалов дистанционного управления современного БПЛА, несущая радиочастота которых переключается по случайному закону в диапазоне 0,9–6 ГГц, при индивидуальной защите. При этом высокая скорость реакции, составляющая сотни пикосекунд, позволяет эффективно блокировать радиоканалы, работающие в режиме прыгающей несущей.
Разработанные устройства также могут найти применение в любых других радиоуправляемых средствах, применяемых в военно-промышленной отрасли и в сфере безопасности. Для принятия окончательного решения о пригодности, работоспособности и технико-экономической эффективности предложенного принципа построения необходимо оптимизировать схемы и конструкции РФЗУ-С и РФЗУ-Б и провести полноценные натурные испытания в условиях, максимально приближенным к реальным.
Благодарность
Авторы благодарят за поддержку Минобрнауки РФ (грант в форме субсидии, шифр темы FSFZ‑2022-0005).
REFERENCES
Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds. Nature Photonics. 2007; 1: 319–330.
Yao J. Microwave Photonics. IEEE J. of Lightwave Technol. 2009;27(3): 314–335.
Uruck V. J., McKinney J.D., Williams K. J. Fundamentals of Microwave Photonics. – John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. New Jersey. USA. 2015. – 467 pp. Основы микроволновой фотоники. Перевод с англ. под ред. С. Ф. Боева и А. С. Сигова. Техносфера, Москва, 2016. – 376 с.
Belkin M. E., Kudzh S. A., Sigov A. S. Novye principy postroeniya radioelektronnoj apparatury SVCH diapazona s ispol’zovaniem radiofotonnoj tekhnologii. Rossijskij tekhnologicheskij zhurnal. 2016;1(10):4–20.
Белкин М. Е., Кудж С. А., Сигов А. С. Новые принципы построения радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона с использованием радиофотонной технологии. Российский технологический журнал. 2016;1(10):4–20.
Belkin M. E. Radiofotonnyj podhod v razrabotke novogo pokoleniya SVCH radioelektronnyh ustrojstv i sistem. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2023; 25(4):195–200.
Белкин М. Е. Радиофотонный подход в разработке нового поколения СВЧ радиоэлектронных устройств и систем. Нано- и микросистемная техника. 2023; 25(4):195–200.
GOST R 52551-2006. Sistemy ohrany i bezopasnosti. Terminy i opredeleniya. Moskva. Standartinform. 2006. 20 p.
ГОСТ Р 52551–2006. Системы охраны и безопасности. Термины и определения. Москва. Стандартинформ. 2006. 20 с.
Global Terrorism Index 2019. Measuring the Impact of Terrorism.URL: http://visionofhumanity.org/app/uploads/2019/11/GTI‑2019web.pdf.
https://pro-spec.ru/catalog/blokiratory-radioupravlyaemykh-vzryvnykh-ustrojstv.
Drones ground flights at Gatwick. en-GB. In: BBC News (Dec. 2018). URL: https://www.bbc.com/news/uk-england-sussex‑46623754
Stephen Rice. Eyes In The Sky: The Public Has Privacy Concerns About Drones. en. URL: https://www.forbes.com/sites/stephenrice1/2019/02/04/eyes-in-the-skythe-public-has-privacy-concerns-about-drones/
2018 DRONE MARKET SECTOR REPORT. English. Jan. 2019. URL: https://droneanalyst.com/research/research-studies/2018‑drone-market-sector-reportpurchase
Belkin M. E., Fofanov D. A., Aleshin A. V., Sigov A. S. Issledovanie radiofotonnogo principa postroeniya reaktivnogo blokiratora radioupravlyaemyh vzryvnyh ustrojstv. Pis’ma v ZHurnal tekhnicheskoj fiziki. 2020; 22: 31–34.
Белкин М. Е., Фофанов Д. А., Алешин А. В., Сигов А. С. Исследование радиофотонного принципа построения реактивного блокиратора радиоуправляемых взрывных устройств. Письма в Журнал технической физики. 2020; 22: 31–34.
RU Patent 2767751 C1. Sposob podavleniya komandnyh signalov upravleniya radioupravlyaemymi samodel’nymi vzryvnymi ustrojstvami, sverhshirokopolosnoe radiosignal’noe processornoe ustrojstvo dlya blokirovki komandnyh signalov radioupravlyaemyh vzryvnyh ustrojstv i sposob postroeniya sverhshirokopolosnogo ustrojstva dlya podavleniya komandnyh signalov upravleniya radioupravlyaemymi samodel’nymi vzryvnymi ustrojstvami. /Belkin M. E., Fofanov D. A.
RU Патент 2767751 C1. Способ подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами, сверхширокополосное радиосигнальное процессорное устройство для блокировки командных сигналов радиоуправляемых взрывных устройств и способ построения сверхширокополосного устройства для подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами. / Белкин М. Е., Фофанов Д. А.
Belkin M. E., Fofanov D. A., Aleshin A. V. Radiofotonnyj blokirator: novyj podhod k sokrashcheniyu vremeni reakcii na komandu radioupravlyaemogo vzryvnogo ustrojstva. XVII Vserossijskaya shkola-seminar «Volnovye yavleniya v neodnorodnyh sredah» («Volny‑2020»). MGU, Krasnovidovo, 23–28 avgusta. 2020; 1–2.
Белкин М. Е., Фофанов Д. А., Алешин А. В. Радиофотонный блокиратор: новый подход к сокращению времени реакции на команду радиоуправляемого взрывного устройства. XVII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» («Волны‑2020»). МГУ, Красновидово, 23–28 августа. 2020; 1–2.
Belkin M. E., Zhukov L. I., Smirnov N. V. Devising an Optimal Time-Delay Circuit Configuration for a Microwave-Photonics-Based Radio Communication Jammer. 29th Telecommunication FORUM TELFOR 2021. November 23–24. Belgrade. Serbia. 2021;1–4.
Belkin M. E., ZHukov L. I., Smirnov N. V. Radiofotonnyj blokirator: novyj podhod k vsekanal’nomu blokirovaniyu radiokanalov distancionnogo upravleniya i navigacii sovremennyh bespilotnikov i drugih radioupravlyaemyh sredstv. Sbornik trudov Nacional’nogo kongressa «SPECTEKH». BGTU «VOENMEKH» im. D. F. Ustinova. 2023.27–29 noyabrya. 2023;10.
Белкин М. Е., Жуков Л. И., Смирнов Н. В. Радиофотонный блокиратор: новый подход к всеканальному блокированию радиоканалов дистанционного управления и навигации современных беспилотников и других радиоуправляемых средств. Сборник трудов Национального конгресса «СПЕЦТЕХ». БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. 2023.27–29 ноября. 2023;10.
Belkin M. E., Leonid Zhukov L., Voronina A. Devising an Optimal Approach to Design an Optoelectronic Processor for a Microwave-Photonics-Based Ultra-Wideband Blocking of Unauthorized Radio Channels. Proceedings of 31st Telecommunication FORUM TELFOR 2023. November 21–22. Belgrade. Serbia. 2023. 4 pp.
Rozenbeek D. J. Evaluation of Drone Neutralization Methods Using Radio Jamming and Spoofing Techniques. PhD Thesis. STOCKHOLM, SWEDEN. 2020. 84 pp.
Aleshin A. V., Belkin M. E., Gladyshev I. V. i dr. Vliyanie vremeni kogerentnosti poluprovodnikovogo lazernogo izluchatelya na kachestvo obrabotki radiosignalov v optoelektronnom processore na liniyah zaderzhki. Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN. 2020;10:3–10. URL: https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2020&number=10&z=0
Алешин А. В., Белкин М. Е., Гладышев И. В. и др. Влияние времени когерентности полупроводникового лазерного излучателя на качество обработки радиосигналов в оптоэлектронном процессоре на линиях задержки. Краткие сообщения по физике ФИАН. 2020;10:3–10. URL: https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2020&number=10&z=0
АВТОРЫ
Белкин Михаил Евсеевич, д. т. н.,
директор НТЛ «Радиофотонная СВЧ-электроника», МИРЭА, Москва, Россия.
Кузнецов Евгений Викторович, д. т. н.,
генеральный директор АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»
М. Е. Белкин
РТУ МИРЭА, Москва, Россия
Е. В. Кузнецов
АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
Основываясь на интенсивно развивающемся в мире радиофотонном подходе, уже нашедшем применение в перспективных радиоэлектронных средствах телекоммуникации, радиолокации, радиоэлектронного противодействия, безопасности, вычислительной и измерительной техники, в статье предложен новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот. Приводятся схемы оптоэлектронных процессоров, описание разработанных образцов радиоэлектронной защиты с функциями спуфинга либо блокирования несанкционированных радиоканалов и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Ключевые слова: радиофотонный подход, несанкционированный радиоканал, радиоэлектронная защита, оптоэлектронный процессор, спуфинг, блокирование
Статья получена: 12.01.2024
Статья принята: 08.02.2024
Введение
Анализ современного мирового развития радиоэлектронных систем (РЭС) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона показывает, что наиболее эффективным путем решения стратегически важной проблемы, заключающейся в улучшении пропускной способности, массогабаритных и стоимостных характеристик, энергопотребления, надежности современных РЭС СВЧ диапазона гражданского и военного назначений является применение для формирования и обработки сигналов методов и подходов радиофотоники (microwave photonics) [1–5]: нового междисциплинарного направления, созданного на стыке СВЧ радиоэлектроники и фотоники. Реализация данного подхода в РЭС СВЧ диапазона, помимо значительного улучшения вышеуказанных технико-экономических показателей, дополнительно приведет к улучшению таких важных характеристик РЭС двойного назначения, как электромагнитная совместимость, стойкость к внешним воздействиям (в том числе преднамеренным), экологичность.
Устройства и узлы радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона на базе фотонной и радиофотонной технологий, в том числе устройства обработки радиосигналов, а также радиоэлектронные системы двойного назначения с применением радиофотоники широко исследуются и разрабатываются в университетах и научных секторах крупных фирм промышленно развитых зарубежных стран, однако данное важное для оборонного потенциала страны направление очень слабо развивается в России, и уже наметилось значительное отставание. Для поиска путей и создания условий его преодоления в последние годы при НТС ОПК создана специальная рабочая группа по радиофотонике, которой разработана Программа развития отечественной радиофотоники на 2016–2025 годы. Кроме того, Фондом перспективных исследований ОПК разработана Дорожная карта по фотонике и радиофотонике. Реализация намеченных планов в настоящее время осуществляется целым рядом университетов, учреждений Российской академии наук и предприятий радиоэлектронной промышленности.
Следуя этому, в данной статье радиофотонный подход рассматривается как новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Ключевыми достоинствами его являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхбыстрая сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты до нескольких километров, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите до сотен пикосекунд, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот шириной до несколько октав. Приводятся схемы сверхширокополосных оптоэлектронных процессоров с памятью от сотен пикосекунд до десятков микросекунд, описание разработанных образцов групповой и индивидуальной защиты и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний.
Современные средства радиоэлектронной защиты
В общем современное развитие телекоммуникационных, радиолокационных и других электронных средств все интенсивнее характеризуется использованием оборудования, дистанционно управляемого по радиочастотным (РЧ) каналам. Применяемые в настоящее время радиосредства дистанционного управления и воздействия (ДУВ), от которых может потребоваться групповая либо индивидуальная защита объектов, классифицируются по назначению на гражданские, военные и двойного назначения, по среде действия – на воздушную, водную, космическую, по характеру эксплуатации – на фиксированные или мобильные, а также по рабочему диапазону частот, протяженности зоны обслуживания, массогабаритным, стоимостным и другим характеристикам. Управление устройствами военного и двойного назначений стандартно осуществляется по беспроводным РЧ-каналам с различным уровнем безопасности [6], которые в зависимости от принадлежности сторон конфликта («свои» или «чужие») можно классифицировать как санкционированные или несанкционированные.
Обзор мировой литературы показал, что наиболее критичным примером групповой защиты от воздействия несанкционированных РЧ-каналов является рой летательных воздушных объектов (ЛВО) любого назначения. Кроме того, наиболее важными объектами индивидуальной защиты в настоящее время считаются РЧ-каналы стационарных дистанционно управляемых самодельных взрывных устройств (ДУ-СВУ) в антитеррористической деятельности [7, 8] и беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в военной или криминальной сфере [9–11]. Для эффективного решения задачи в этом направлении нами несколько лет назад был разработан и предварительно исследован реактивный радиофотонный блокиратор (РФБ) с временем реакции на сигнал подрыва менее 1 мкс, работающий во всей полосе частот существующих и перспективных ДУ-СВУ от 20 МГц до 6 ГГц [12–14]. В развитие предложенного подхода в данной статье описаны результаты наших исследований по применению радиофотонного подхода для блокирования радиоканалов дистанционного управления и навигации современных БПЛА [15–17] и других радиоуправляемых средств нападения.
Принципы построения средств радиоэлектронной защиты на базе радиофотонного подхода
Как отмечено ранее, радиофотонный подход уже нашел применение в таких важных направлениях современной радиоэлектронной промышленности как телекоммуникации, где объектами защиты могут быть сети доступа волоконно-беспроводной архитектуры сотовых сетей поколения 5G, а также межсоединительные линии беспроводных центров обработки данных, и, кроме того, радиолокация, радиоэлектронное противодействие, безопасность, вычислительная и измерительная техника. Общий принцип построения аппаратуры, компонентная база, причины возникновения, история развития и уровень современного состояния радиофотоники рассмотрены в [5]. Ниже же будут описаны конкретные примеры применения радиофотонной технологии для построения средств радиоэлектронной защиты.
Сверхширокополосность радиофотонной технологии позволяет создавать эффективные средства радиоэлектронной защиты на базе обоих известных в настоящее время подходов [18]: спуфинга (то есть постановки имитационных помех приему) и блокирования (то есть недопустимого ухудшения качества приема) радиоканалов ДУВ. Оптимальный вариант построения устройства защиты в данном случае определяется расстоянием между источником и объектом радиоэлектронного воздействия. А именно при относительно больших расстояниях, когда суммарное время задержки зондирующего и отраженного радиолучей превышает несколько микросекунд, наиболее эффективным вариантом как групповой, так и индивидуальной защиты от несанкционированного радиоэлектронного воздействия является спуфинг. При этом устройство защиты должно быть расположено в составе объекта воздействия. С другой стороны, при защите от несанкционированного радиоканала, источник которого расположен в относительной близости от объекта ДУВ, наиболее эффективный путь индивидуальной защиты состоит в блокировании радиоканала с помощью отдельно расположенного устройства. Типичными примерами применения спуфинга являются групповая либо индивидуальная защита летательных средств от обнаружения зондирующим радиосигналом недружественного радиолокатора, а блокирования – индивидуальная защита от установленного на объекте ДУ-СВУ или от дистанционно управляемого нападающего БПЛА.
Общая структурная схема предложенного радиофотонного защитного устройства (РФЗУ) представлена на рис. 1. Схема содержит входную и выходную антенны, а также входной и выходной усилители, между которыми введен блок оптоэлектронного процессора (ОЭП). К основным требованиям к входным и выходным антеннам и усилителям относятся эффективное функционирование во всем рабочем РЧ диапазоне и достаточный общий коэффициент усиления для надежного спуфинга либо блокирования всех радиоканалов с учетом потерь в ОЭП порядка 30–35 дБ.
Радиофотонное устройство групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты на базе спуфинга
Принцип построения
Структурная схема ОЭП РФЗУ на базе спуфинга (РФЗУ-С) приведена на рис. 2. Согласно общему принципу построения радиофотонного узла [5], обязательными элементами схемы являются: полупроводниковый лазерный излучатель (ПЛИ), с помощью которого осуществляется электрооптическое преобразование принятого РЧ сигнала, фотодетектор (ФД), с помощью которого осуществляется обратное оптико-электрическое преобразование на ту же РЧ несущую, и расположенная между ними оптическая рециркуляционная петля (ОРЦП), посредством которой выполняется обработка выходного сигнала ПЛИ в оптическом диапазоне. Ее обязательными элементами являются стандартный пассивный оптический разветвитель (ОР) Х-типа с двумя входами 1, 3 и двумя выходами 2, 4, и подсоединенная между выходом 4 и входом 3 оптическая линия задержки (ОЛЗ). Принцип действия ОР такого типа состоит в том, что подаваемый на практически развязанные между собой входы 1 и 3 оптический сигнал равномерно распределяется между выходами 2 и 4, а ОЛЗ реализуется с помощью одномодового оптического волокна определенной длины, задержка сигнала в котором составляет порядка 4,7 мкс/км. Помимо этого, в схему рис. 2 введены необязательные элементы, включая оптический и РЧ усилители (ОУ и РЧУ), назначение которых состоит в компенсации потерь соответственно в оптическом и/или РЧ трактах ОЭП РФЗУ-С.
Отметим, что ОЛЗ, например, при групповой защите может быть в многоотводном исполнении с неодинаковой длиной плеч [19] так, чтобы организовать неравномерную последовательность передаваемых РСЗУ-С ложных копий.
Описание экспериментального образца
Для подтверждения корректности и эффективности предложенного подхода и проведения подтверждающих испытаний, на основе схем рис. 1 и 2 был сконструирован и изготовлен экспериментальный образец, внешний вид которого приведен на рис. 3.
Разработанный экспериментальный образец обладает следующими ключевыми параметрами: масса 3,6 кг, габариты 220 × 168 × 70 мм, энергопотребление не более 20 Вт, рабочая полоса частот 0,25–18 ГГц, минимальное время задержки 0,4 мкс, максимальное число копий 128.
Экспериментальное исследование
Сквозная амплитудно-частотная характеристика ОЭП РФЗУ-С (без РЧУ) в полосе 0,1–26 ГГц приведена на рис. 4. Как следует из рисунка, вследствие известных потерь при электрооптическом и оптико-электрическом преобразованиях, а также в ОРЦП, которые скомпенсированы в усилительных трактах РФЗУ, собственный коэффициент передачи ОЭП на средней рабочей частоте составляет –37 дБ, а полоса ОЭП по уровню 3 дБ: 0,25 ± 18 ГГц, то есть соответствует заданным требованиям.
Измеренные характеристики отношения сигнала к шуму (ОСШ) на выходе экспериментального образца, пример которых на несущей частоте входного радиосигнала 10 ГГц при длительности радиоимпульсов от 5 до 10 мкс приведен на рис. 5, показали, что ОСШ в полосе 25 МГц составляет более 45 дБ при отключенной ОРЦП и более 25 дБ при подключенной ОРЦП, что подтверждает работоспособность разработанного РФЗУ-С.
Радиофотонное устройство индивидуальной радиоэлектронной защиты на базе блокирования
Принцип построения
Структурная схема ОЭП РФЗУ на базе блокирования (РФЗУ-Б) приведена на рис. 6. Как следует из рисунка, она так же, как и на рис. 2, содержит ПЛИ и ФД с предварительным РЧ усилителем. Между ними также введен узел обработки в оптическом диапазоне [5], в данном случае реализованный на основе двуплечего волоконного интерферометра Маха-Цандера (ВИМЦ), содержащего два пассивных оптических разветвителя 1 × 2 и два стандартных одномодовых оптических волокна (ОВ) разной длины (L и L0). В ВИМЦ благодаря разнице длин ОВ в каждом из плеч (то есть разному времени задержки) на выходе РФЗУ-Б формируются ложные копии обрабатываемого оптического сигнала. Основными требованиями к ОЭП являются эффективное блокирование радиоканала дистанционного управления объектом во всем радиочастотном диапазоне.
Описание экспериментального образца
Для подтверждения корректности и эффективности предложенного подхода и проведения подтверждающих испытаний на основе схем рис. 1 и рис. 6 был сконструирован и изготовлен экспериментальный образец РФЗУ-Б РФБ‑1, внешний вид которого со снятым радиопрозрачным колпаком приведен на рис. 7. Как следует из рисунка, он состоит из прямоугольного корпуса, в котором к узлам схемы рис. 1 добавлен узел электропитания и индикации режима работы встроенного аккумулятора и антенного блока, содержащего приемную (слева) и передающую (справа) антенны Вивальди (ширина диаграммы направленности около 60°, коэффициент усиления ≈7 dBi). Для увеличения развязки между передающим и приемным РЧ трактами антенны расположены под углом 90° и разделены металлическим экраном. На передней панели РФБ‑1 размещены: клемма заряда аккумуляторной батареи, индикатор уровня заряда аккумулятора, тумблер включения индикатора и тумблер включения/выключения питания. Время работы от встроенного аккумулятора не менее 1,5 часа. На переднюю панель также выведены два оптических разъема, предназначенные для оперативного подбора оптимальной длины плеча L ВИМЦ (см. рис. 6) путем введения внешнего ОВ определенной длины. Внешние размеры корпуса образца 330× 300 × 80 мм, масса 2,8 кг, рабочая полоса частот 0,8–6 ГГц. Отметим, что выбранная рабочая полоса полностью соответствует рабочему диапазону частот современного дистанционно управляемого БПЛА, например, Autel EVO Max 4T, управляемого пультом оператора на переключаемых четырех частотах 0,9; 2,4; 5,2 и 5,8 ГГц, а также находится в пределах основной части полосы приемника ДУ-СВУ, приводимого в действие с помощью команды сотового телефона поколений 4G и 5G.
Основные параметры РФБ‑1 выбирались из следующих соображений: потери радиосигнала в свободном пространстве на расстоянии 1 км согласно известной формуле с учетом усиления антенн составляют на верхней рабочей частоте 6 ГГц около 90 дБ.
Следовательно, при выходной мощности РЧ сигнала 1 Вт уровень входной мощности должен быть –60 дБм. Кроме того, согласно данным производителя примененного полупроводникового лазера уровень модулирующего РЧ сигнала должен находиться в пределах –5…3 дБм. Кроме того, расчет коэффициента передачи ОЭП рис. 6 с учетом вносимых потерь в двух оптических разветвителях и чувствительности фотодетектора составляет порядка –35…–40 дБ. С учетом вышеприведенных данных коэффициент передачи входного усилителя должен быть около 55 дБ, что реализовано на двух каскадно соединенных усилителях производства АО «Микроволновые системы», Москва. Кроме того, входящий в состав ОЭП рис. 6 предварительный РЧ усилитель с коэффициентом усиления 40 дБ реализован собственными силами, а в качестве выходного усилителя использован усилитель мощности модели RFLUPA02M06GA производства фирмы RF-Lambda, США.
Лабораторные исследования
Прежде всего с целью подтверждения эффекта блокирования на всех несущих частотах современного беспилотника и определения требований к оптимальной разности задержек в плечах ВИМЦ были проведены лабораторные исследования РФБ‑1. Чтобы исключить влияние местных каналов CNSS и WiFi, работающих на близких частотах, испытания проводились без выхода в эфир, т. е. без антенн. Их влияние моделировалось путем введения в измерительную установку соответствующих аттенюаторов. Сначала была измерена общая амплитудно-частотная характеристика образца с помощью векторного анализатора цепей. Результат измерений представлен на рис. 8. Как следует из рисунка, неравномерность получилась не более 5 дБ во всей рабочей полосе.
Дальнейшие испытания проводились во временной области с использованием осциллографа реального времени при подаче на вход испытуемого устройства импульсного РЧ-сигнала с заполнением РЧ несущей, частота которой соответствовала каждому из четырех каналов контроллера БПЛА Autel EVO Max 4T. Пример измерения входного и выходного испытательных сигналов на частоте 0,9 ГГц показан на рис. 9. Как следует из сравнения осциллограмм при прямом подключении контроллера БПЛА и через испытуемый РФБ‑1, соответствующая обработка сигналов в РФЗУ-Б привела к хаотическому искажению их формы с разным уровнем шума при обработке импульса и паузы, что свидетельствует о наличии эффекта блокировки передаваемого сигнала из-за искажения формы импульса и резкого ухудшения отношения сигнал/шум. Аналогичные картины наблюдались на остальных рабочих частотах канала управления БПЛА.
Как известно, качество передачи РЧ сигналов с повсеместно используемой в современных передающих устройствах цифровой модуляцией стандартно определяется путем измерения значения магнитуды вектора ошибки (EVM). Данный ключевой параметр был измерен в ходе лабораторных исследований с помощью цифрового осциллографа реального времени при подаче на вход образца РФЗУ-Б соответствующего РЧ сигнала от векторного генератора сигналов. В результате на рис. 10 представлены графики зависимости значений EVM от разности временной задержки (TDD) в плечах ВИМЦ L и L0 (см. рис. 6) для широко используемого в современных передающих радиоустройствах формата двухпозиционной цифровой фазовой модуляции (BPSK) при скоростях передачи от 10 кбит/с до 2 Мбит/с и всех рабочих РЧ несущих испытуемого БПЛА. Горизонтальными пунктирными линиями на графиках показан стандартный порог EVM ретранслируемого РФБ‑1 цифрового РЧ сигнала, равный 17,5%.
Как следует из графиков, на всех скоростях и всех РЧ несущих наблюдается одинаковый ход зависимости качества передаваемого сигнала от TDD, а именно приемлемое качество передачи для практически одинаковых TDD плеч ВИМЦ и его ухудшение до недопустимо высоких значений, когда их разница превышает определенный порог. Таким образом, из полученных экспериментальных результатов можно сделать однозначный вывод, что предложенная схема РФЗУ-Б позволяет надежно и эффективно блокировать любые радиочастотные сигналы от пульта оператора (ПО) БПЛА при минимальной разнице задержек в плечах ВИМЦ 270 пс, что соответствует разности их длин всего лишь 5,5 см.
Предварительные натурные испытания
Вышеописанные результаты лабораторных исследований были качественно проверены в ходе двух натурных испытаний с использованием БПЛА моделей Autel EVO Max 4T и DJI Mavic Pro 2 и штатных устройств дистанционного управления (ДУ). Результаты испытаний приведены в таблице. Как следует из нее, проведенные предварительные натурные испытания показали общую работоспособность разработанного принципа построения устройства блокирования радиоканалов современного БПЛА. Ухудшение надежности блокирования с увеличением расстояния от БПЛА до образца РФБ‑1 связано с его недостаточной выходной мощностью и неоптимальностью примененных антенн Вивальди.
Заключение
В статье на основе радиофотонного подхода развит новый принцип построения средств групповой и индивидуальной радиоэлектронной защиты от дистанционного воздействия несанкционированных радиоканалов различного назначения. Его ключевыми достоинствами являются простота и нечувствительность к электронным наводкам, в том числе преднамеренным, а также сверхширокополосная обработка принятого радиосигнала в оптоэлектронном процессоре, что в зависимости от назначения либо увеличивает протяженность зоны групповой или индивидуальной защиты до нескольких километров, либо сокращает время реакции при индивидуальной защите до сотен пикосекунд, одновременно обеспечивая работу во всей рабочей полосе частот шириной до несколько октав. Приводятся описание и схемы двух вариантов оптоэлектронных процессоров для защитных устройств на принципе спуфинга с памятью до десятков микросекунд и для защитных устройств на принципе блокирования с временем реакции до сотен пикосекунд, описание разработанных экспериментальных образцов групповой и индивидуальной защиты и результаты лабораторных и предварительных натурных испытаний. Проведенные лабораторные исследования обоих вариантов защитных устройств и предварительные натурные испытания с использованием реальных БПЛА показали его принципиальную пригодность для единовременного спуфинга канала дистанционного воздействия при групповой защите, а также блокирования всех радиоканалов дистанционного управления современного БПЛА, несущая радиочастота которых переключается по случайному закону в диапазоне 0,9–6 ГГц, при индивидуальной защите. При этом высокая скорость реакции, составляющая сотни пикосекунд, позволяет эффективно блокировать радиоканалы, работающие в режиме прыгающей несущей.
Разработанные устройства также могут найти применение в любых других радиоуправляемых средствах, применяемых в военно-промышленной отрасли и в сфере безопасности. Для принятия окончательного решения о пригодности, работоспособности и технико-экономической эффективности предложенного принципа построения необходимо оптимизировать схемы и конструкции РФЗУ-С и РФЗУ-Б и провести полноценные натурные испытания в условиях, максимально приближенным к реальным.
Благодарность
Авторы благодарят за поддержку Минобрнауки РФ (грант в форме субсидии, шифр темы FSFZ‑2022-0005).
REFERENCES
Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds. Nature Photonics. 2007; 1: 319–330.
Yao J. Microwave Photonics. IEEE J. of Lightwave Technol. 2009;27(3): 314–335.
Uruck V. J., McKinney J.D., Williams K. J. Fundamentals of Microwave Photonics. – John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. New Jersey. USA. 2015. – 467 pp. Основы микроволновой фотоники. Перевод с англ. под ред. С. Ф. Боева и А. С. Сигова. Техносфера, Москва, 2016. – 376 с.
Belkin M. E., Kudzh S. A., Sigov A. S. Novye principy postroeniya radioelektronnoj apparatury SVCH diapazona s ispol’zovaniem radiofotonnoj tekhnologii. Rossijskij tekhnologicheskij zhurnal. 2016;1(10):4–20.
Белкин М. Е., Кудж С. А., Сигов А. С. Новые принципы построения радиоэлектронной аппаратуры СВЧ диапазона с использованием радиофотонной технологии. Российский технологический журнал. 2016;1(10):4–20.
Belkin M. E. Radiofotonnyj podhod v razrabotke novogo pokoleniya SVCH radioelektronnyh ustrojstv i sistem. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2023; 25(4):195–200.
Белкин М. Е. Радиофотонный подход в разработке нового поколения СВЧ радиоэлектронных устройств и систем. Нано- и микросистемная техника. 2023; 25(4):195–200.
GOST R 52551-2006. Sistemy ohrany i bezopasnosti. Terminy i opredeleniya. Moskva. Standartinform. 2006. 20 p.
ГОСТ Р 52551–2006. Системы охраны и безопасности. Термины и определения. Москва. Стандартинформ. 2006. 20 с.
Global Terrorism Index 2019. Measuring the Impact of Terrorism.URL: http://visionofhumanity.org/app/uploads/2019/11/GTI‑2019web.pdf.
https://pro-spec.ru/catalog/blokiratory-radioupravlyaemykh-vzryvnykh-ustrojstv.
Drones ground flights at Gatwick. en-GB. In: BBC News (Dec. 2018). URL: https://www.bbc.com/news/uk-england-sussex‑46623754
Stephen Rice. Eyes In The Sky: The Public Has Privacy Concerns About Drones. en. URL: https://www.forbes.com/sites/stephenrice1/2019/02/04/eyes-in-the-skythe-public-has-privacy-concerns-about-drones/
2018 DRONE MARKET SECTOR REPORT. English. Jan. 2019. URL: https://droneanalyst.com/research/research-studies/2018‑drone-market-sector-reportpurchase
Belkin M. E., Fofanov D. A., Aleshin A. V., Sigov A. S. Issledovanie radiofotonnogo principa postroeniya reaktivnogo blokiratora radioupravlyaemyh vzryvnyh ustrojstv. Pis’ma v ZHurnal tekhnicheskoj fiziki. 2020; 22: 31–34.
Белкин М. Е., Фофанов Д. А., Алешин А. В., Сигов А. С. Исследование радиофотонного принципа построения реактивного блокиратора радиоуправляемых взрывных устройств. Письма в Журнал технической физики. 2020; 22: 31–34.
RU Patent 2767751 C1. Sposob podavleniya komandnyh signalov upravleniya radioupravlyaemymi samodel’nymi vzryvnymi ustrojstvami, sverhshirokopolosnoe radiosignal’noe processornoe ustrojstvo dlya blokirovki komandnyh signalov radioupravlyaemyh vzryvnyh ustrojstv i sposob postroeniya sverhshirokopolosnogo ustrojstva dlya podavleniya komandnyh signalov upravleniya radioupravlyaemymi samodel’nymi vzryvnymi ustrojstvami. /Belkin M. E., Fofanov D. A.
RU Патент 2767751 C1. Способ подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами, сверхширокополосное радиосигнальное процессорное устройство для блокировки командных сигналов радиоуправляемых взрывных устройств и способ построения сверхширокополосного устройства для подавления командных сигналов управления радиоуправляемыми самодельными взрывными устройствами. / Белкин М. Е., Фофанов Д. А.
Belkin M. E., Fofanov D. A., Aleshin A. V. Radiofotonnyj blokirator: novyj podhod k sokrashcheniyu vremeni reakcii na komandu radioupravlyaemogo vzryvnogo ustrojstva. XVII Vserossijskaya shkola-seminar «Volnovye yavleniya v neodnorodnyh sredah» («Volny‑2020»). MGU, Krasnovidovo, 23–28 avgusta. 2020; 1–2.
Белкин М. Е., Фофанов Д. А., Алешин А. В. Радиофотонный блокиратор: новый подход к сокращению времени реакции на команду радиоуправляемого взрывного устройства. XVII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» («Волны‑2020»). МГУ, Красновидово, 23–28 августа. 2020; 1–2.
Belkin M. E., Zhukov L. I., Smirnov N. V. Devising an Optimal Time-Delay Circuit Configuration for a Microwave-Photonics-Based Radio Communication Jammer. 29th Telecommunication FORUM TELFOR 2021. November 23–24. Belgrade. Serbia. 2021;1–4.
Belkin M. E., ZHukov L. I., Smirnov N. V. Radiofotonnyj blokirator: novyj podhod k vsekanal’nomu blokirovaniyu radiokanalov distancionnogo upravleniya i navigacii sovremennyh bespilotnikov i drugih radioupravlyaemyh sredstv. Sbornik trudov Nacional’nogo kongressa «SPECTEKH». BGTU «VOENMEKH» im. D. F. Ustinova. 2023.27–29 noyabrya. 2023;10.
Белкин М. Е., Жуков Л. И., Смирнов Н. В. Радиофотонный блокиратор: новый подход к всеканальному блокированию радиоканалов дистанционного управления и навигации современных беспилотников и других радиоуправляемых средств. Сборник трудов Национального конгресса «СПЕЦТЕХ». БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. 2023.27–29 ноября. 2023;10.
Belkin M. E., Leonid Zhukov L., Voronina A. Devising an Optimal Approach to Design an Optoelectronic Processor for a Microwave-Photonics-Based Ultra-Wideband Blocking of Unauthorized Radio Channels. Proceedings of 31st Telecommunication FORUM TELFOR 2023. November 21–22. Belgrade. Serbia. 2023. 4 pp.
Rozenbeek D. J. Evaluation of Drone Neutralization Methods Using Radio Jamming and Spoofing Techniques. PhD Thesis. STOCKHOLM, SWEDEN. 2020. 84 pp.
Aleshin A. V., Belkin M. E., Gladyshev I. V. i dr. Vliyanie vremeni kogerentnosti poluprovodnikovogo lazernogo izluchatelya na kachestvo obrabotki radiosignalov v optoelektronnom processore na liniyah zaderzhki. Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN. 2020;10:3–10. URL: https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2020&number=10&z=0
Алешин А. В., Белкин М. Е., Гладышев И. В. и др. Влияние времени когерентности полупроводникового лазерного излучателя на качество обработки радиосигналов в оптоэлектронном процессоре на линиях задержки. Краткие сообщения по физике ФИАН. 2020;10:3–10. URL: https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2020&number=10&z=0
АВТОРЫ
Белкин Михаил Евсеевич, д. т. н.,
директор НТЛ «Радиофотонная СВЧ-электроника», МИРЭА, Москва, Россия.
Кузнецов Евгений Викторович, д. т. н.,
генеральный директор АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»
Отзывы читателей
