Основы повышения помехоустойчивости радиолинии управления БПЛА

BASICS OF INCREASING THE IMMUNITY OF A RADIO CONTROL OF A UAV

Oleg Senin

Lieutenant colonel adjunct of the military Academy of communications, Russia, Saint-Petersburg

Аннотация. В статье рассмотрены основы повышения помехоустойчивости радиолинии управления БПЛА. В процессе исследования обозначены особенности обеспечения помехоустойчивости в зависимости от типа используемого режима управления. Также выделены преимущества автоматического управления БПЛА. Отдельное внимание уделено возможностям и принципу работы мажоритарного кодирования сигнала. Кроме того, обозначена модель для расчета вероятности ошибки.

Abstract. The article discusses the basics of increasing the noise immunity of the UAV control radio link. In the course of the study, the features of ensuring noise immunity are indicated depending on the type of control mode used. The advantages of automatic control of UAVs are also considered. Special attention is paid to the possibilities and principle of operation of the majority signal coding. In addition, a model for calculating the probability of error is indicated.

Ключевые слова: БПЛА, управление, канал, защита, помеха.

Keywords: UAV, control, channel, protection, interference.

Одним из перспективных направлений в области интеллектуальных технологий управления и обработки информации является разработка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Современное технологическое развитие БПЛА в качестве информационных или транспортных систем связано с использованием двух общих ресурсов - воздушного пространства и радиочастотного спектра. Безаварийная эксплуатация БПЛА в значительной степени зависит от надежной работы радиотехнических каналов связи между летательным аппаратом и станциями наземного управления, а также радиотехническими навигационными системами [1].

Надежное и безопасное информационное взаимодействие с помощью канала передачи данных между объектом и наземной станцией управления является обязательной частью функционирования комплекса, который включает БПЛА и наземную инфраструктуру управления, что требует особых мер по защите информации. Однако при всех преимуществах использования этого типа техники, для нее характерным является очень серьезный недостаток - слабая защита радиоканала управления от перехвата и «взлома».

Как показала практика использования БПЛА в реальных условиях эксплуатации, это является одним из самых слабых и уязвимых мест в системе управления. В процессе выполнения поставленных задач эксплуатация незащищенного или недостаточно защищенного канала управления БПЛА, приводит к срыву выполнения задания или в целом потери БПЛА [2]. Поэтому создание защищенного канала управления, имеющего высокие характеристики помехоустойчивости, является на сегодняшний день важной научно-практической задачей, решению которой и посвящена данная статья.

Анализ характеристик радиоканала связи с БПЛА проводился такими учеными как Tang, Hongying; Li, Baoqing; Yuan, Xiaobing; Gao, Ying; Попов А.Р., Балобанов А.В., Темрин Д.В., Яцемирская В.С. и др.

Классификация информационных радиоканалов БПЛА в зависимости от уровня эксплуатационных задач, критерии применимости различных режимов управления при нарушениях передачи данных по навигационным и командно-телеметрическим радиоканалам детально освещаются Борисовым К.В., Любушкиной И.Е., Rodriguez Gerson.

Однако, несмотря на имеющиеся наработки, задача обеспечения максимально достижимой помехозащищенности и помехоустойчивости канала управления БПЛА окончательно не решена и содержит в себе ряд дискуссионных вопросов. В частности, дополнительной проработки требуют проблемы повышения защиты бортового приемника БПЛА, отдельного внимания заслуживает обоснование комплексного подхода обеспечения помехоустойчивости каналов управления БПЛА, которые включают программные, аппаратные и смешанные средства защиты.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, цель статьи заключается в рассмотрении основ повышения помехоустойчивости радиолинии управления БПЛА.

На первом этапе формализации возможностей и инструментов повышения устойчивости к помехам и атакам радиолинии управления БПЛА необходимо определить, какие именно задачи должен решать радиоканал и какую пропускную способность должен иметь.

В таблице 1 в зависимости от технического уровня и состава выполняемых задач выделено несколько режимов управления БПЛА и ключевые характеристики канала управления.

Таблица 1

 Режимы управления БПЛА

Одним из эффективных способов защиты радиолинии ручного управления БПЛА является использование направленной антенны на пульте управления. Вследствие незначительной горизонтальной дальности между оператором и аппаратом, угол места последнего достигает 30 и более градусов, уровень сигнала в зоне потенциального постановщика помех значительно снижается и достоверный наземный анализ командных пакетов затрудняется или перестает быть оперативным.

Значительно более высокая защищенность по радиоканалам обеспечивается при автоматическом управлении БПЛА полетным контроллером-автопилотом, который находится на борту. Система автоматического управления с инерциальным блоком на основе микромеханических датчиков линейных ускорений и угловых скоростей, интегрированных со спутниковой навигационной системой, баровысотомером, магнитометром и системой воздушных сигналов, обеспечивает следящие контуры управления БПЛА необходимой информацией для полета через заданные путевые точки, или содержание БПЛА в окрестности одной или нескольких опорных точек.

При использовании автоматической системы управления БПЛА для повышения помехоустойчивости канала управления можно использовать мажоритарное кодирование сигнала.

Принцип работы метода мажоритарного кодирования заключается в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины (или структурная последовательность составной части сигнала) передается несколько раз, чаще всего - три раза. Обработанные сообщения запоминаются, а затем осуществляется их поразрядное сравнение. Заключение о правильности приема выносится по совпадению большинства из количества принятых копий сигнала методом «два из трех». При мажоритарном декодировании для каждого информационного символа формируется нечетное число оценок путем сложения по модулю 2 определенных комбинаций символов принятого кода в решающем устройстве. Решение об истинном значении принятого символа принимается по мажоритарному принципу, то есть если большее количество оценок равно 1, то принимается именно такое решение [3].

При мажоритарном декодировании разрешенными являются все кодовые комбинации, а для принятия правильного решения об информационном сигнале больше половины элементов N_Е должны быть приняты без ошибок. А так как при этом каждая несущая последовательность передается на отдельной частотной позиции, то этим и достигается повышение помехоустойчивости канала управления БПЛА при действии самых опасных многочастотных помех.

Таким образом, для определения вероятности ошибки можно воспользоваться следующим выражением:  

где Q_z- вероятность поражения помехой m элементов сигнала из N_е, которая равна базе первой составляющей фазоманипулируемого сигнала, и используются для передачи элемента моделирующей последовательности сигнала;

Q_y - вероятность ошибки в приеме сигнала, m частот которого поражены помехой.

Кроме того, в процессе обеспечения помехоустойчивости радиолинии управления БПЛА требуется повышение его стойкости к имитируемым сигналам до необходимого уровня, как основного способа борьбы против навязывания ложных сигналов управления. Из числа основных способов решения данной проблемы можно отметить следующие:

• в процессе формировании командных посылок защищенных каналов управления и их шифрования, следует использовать сложные коды, временные метки, контрольные суммы для достижения нужной устойчивости канала управления, обеспечения распознавания сигнала «своего» или «чужого» передатчика;
• наращивание вычислительной мощности процессора автопилота;
• увеличение числа и качества внешних датчиков;
• использование инерциальной системы навигации с улучшенными точностных характеристиками.

Таким образом, основу обеспечения помехоустойчивости каналов управления БПЛА составляют сложные сигналы и различные методы их декодирования.