Способ и радиотехническая система идентификации летательных аппаратов

Способ и радиотехническая система идентификации летательных аппаратов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехническим системам извлечения информации, а именно к радиолокационным системам с активным ответом, и может быть использовано для атрибутного удаленного идентифицирования летательных аппаратов при решении различных задач, связанных с контролем нахождения летательных аппаратов в охраняемых зонах и/или их опознавания.

В рамках настоящей темы под идентификацией летательных аппаратов будем понимать не только присвоение объекту персонального обозначения - уникального кода, материальным носителем которого является идентификатор, но и процесс опознавания объекта по выбранному идентификационному признаку.

Из способов удаленной (дистанционной) идентификации объектов одним из наиболее распространенных является способ, основанный на передаче по радиоканалу уникального кода от идентификатора, установленного на идентифицируемом объекте, к удаленному устройству, где происходит процесс опознавания. К числу наиболее совершенных следует отнести способ, выбранный в качестве прототипа, согласно которому идентифицируемый объект оснащают идентификатором, которому ставят в соответствие уникальный код опознавания, составляют перечень идентификаторов объектов, излучают с устройства опознавания сигнал запроса, который принимается идентификатором, в случае опознания сигнала запроса излучают ответный сигнал идентификации, содержащий уникальный код, который, после получения в устройстве опознавания, сравнивают с кодом, содержащимся в перечне идентификаторов [US Pat. №5475377. Electronic identification system having remote automatic response capability and automatic identification method thereof / Kwang-si Lee. - Pub. date 12.12.1995].

Реализующая способ-прототип радиотехническая система состоит из идентификатора, включающего в себя первый приемный высокочастотный (ВЧ) блок, первый передающий ВЧ-блок и устройства распознавания, включающего в себя второй приемный ВЧ-блок, второй передающий ВЧ-блок, блок сравнения и запоминающее устройство [US Pat. №5475377. Electronic identification system having remote automatic response capability and automatic-identification method thereof / Kwang-si Lee. - Pub. date 12.12.1995].

Существенным недостатком способа, несмотря на двухступенчатую идентификацию, является низкая защищенность конфиденциальной информации - уникального кода опознавания, роль которого в системах идентификации является одной из главных. Незащищенность кода объясняется его присутствием непосредственно в передаваемом радиосигнале, который, как и любое электромагнитное излучение, без труда может быть перехвачен противником и использован для доступа объектом, не имеющим на это прав. Другой недостаток способа - невысокая помехоустойчивость - также связан с формой передаваемой информации. Уникальный код может быть легко искажен как при воздействии преднамеренных помех, так и при кратковременном возрастании их уровня выше априори принятого для конкретных условий индустриального помехового фона. При отсутствии технических возможностей по регистрации излучаемых сигналов, например из-за незнания точных несущих частот, можно заблокировать работу системы идентификации, создавая преднамеренные помехи с относительно широким спектром, перекрывающим участки рабочих частот системы. Особенно актуальна защита от преднамеренных разрушительных воздействий в условиях жесткого ограничения излучаемых мощностей, так как в этих случаях упрощается работа по созданию блокирующих помех. Причем для остановки процесса идентификации достаточно подавить или исказить сигналы лишь одной из сторон, участвующих в диалоге. Применение в этих случаях корректирующих кодов, как предложено в упомянутом патенте, вряд ли следует считать эффективной защитой, так как, учитывая особенности систем, противная сторона в состоянии без существенных затрат создать сосредоточенные помехи, оставляя мало шансов на вылавливание и исправление ошибок известными методами.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа идентификации летательных аппаратов, заключается в обеспечении высокой защищенности процесса идентификации за счет инвариантности к перехвату конфиденциальной информации, что позволит снизить вероятность несанкционированного доступа в охраняемую зону, а также в повышении помехоустойчивости систем, реализующих указанные способы.

Технический результат достигается тем, что в способе идентификации летательных аппаратов, согласно которому идентифицируемый летательный аппарат оснащают идентификатором, излучающим и принимающим сигналы, идентификатору ставят в соответствие уникальный код опознавания, в наземном устройстве опознавания принимают сигналы и излучают, составляют перечень идентификаторов летательных аппаратов, характеризующихся кодами опознавания, согласно изобретению, в качестве излучаемых сигналов используют шумоподобные сигналы, взаимокорреляционная функция которых имеет максимум при отсутствии относительного временного сдвига между ними, при этом сигнал, излучаемый наземным устройством, является опорным, в идентификаторе генерируют первый информационный сигнал, для идентификации на летательном аппарате при помощи идентификатора принимают опорный сигнал и путем взаимокорреляционного анализа находят относительный временной сдвиг между опорным сигналом и первым информационным сигналом, после чего сдвигают во времени первый информационный сигнал на величину, равную разности найденного относительного временного сдвига и уникального кода опознавания, преобразованного во временной сдвиг, созданный таким образом второй информационный сигнал излучают и принимают в наземном устройстве, где путем взаимокорреляционного анализа находят относительный временной сдвиг между опорным сигналом и вторым информационным сигналом, найденный в наземном устройстве относительный временной сдвиг соответствует уникальному коду опознавания, который сравнивают с кодами, имеющимися в перечне, при совпадении выносят решение об идентичности летательного аппарата тому из содержащихся в перечне, код которого идентичен уникальному коду идентифицируемого летательного аппарата.

Причем шумоподобные сигналы могут представлять собой радиосигналы, полученные в результате фазовой манипуляции несущих двоичными псевдослучайными последовательностями или в результате частотной манипуляции несущих двоичными псевдослучайными последовательностями, а двоичные псевдослучайные последовательности - М-последовательности, сформированные по единому правилу.

Технический результат также достигается тем, что радиотехническая система идентификации летательных аппаратов, состоящая из идентификатора, устанавливаемого на летательном аппарате и содержащего первый приемный высокочастотный блок и первый передающий высокочастотный блок, и наземного устройства распознавания, содержащего второй приемный высокочастотный блок, второй передающий высокочастотный блок, блок сравнения и запоминающее устройство, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, согласно изобретению, состоит из идентификатора, который содержит управляемый генератор информационных сигналов, первый корреляционный измеритель, вычитатель и элемент задержки, первый выход первого приемного высокочастотного блока соединен с первым входом первого корреляционного измерителя, второй вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, второй выход которого соединен со входом первого передающего высокочастотного блока, а управляющий вход управляемого генератора соединен с выходом вычитателя, первый вход которого соединен с выходом первого корреляционного измерителя, второй вход вычитателя является входом уникального кода опознавания, вход разрешения первого передающего высокочастотного блока соединен через элемент задержки с соответствующим выходом первого приемного высокочастотного блока, а наземное устройство распознавания содержит генератор опорного сигнала и второй корреляционный измеритель, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, первый вход второго корреляционного измерителя соединен с выходом второго приемного высокочастотного блока, а второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, к выходу которого подключен вход второго передающего высокочастотного блока.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показана блок-схема алгоритма идентификации. На фиг.2 показана функциональная схема идентификатора, устанавливаемого на летательном аппарате, на фиг.3 - функциональная схема наземного устройства опознавания.

Схема по фиг.2 содержит приемный ВЧ-блок 1, передающий ВЧ-блок 2, генератор 3 первого и второго информационных сигналов, корреляционный измеритель 4 временных сдвигов, вычитатель 5 и элемент 6 задержки.

Схема по фиг.3 содержит приемный ВЧ-блок 7, передающий ВЧ-блок 8, генератор 9 опорного сигнала, корреляционный измеритель 10 временных сдвигов, блок 11 сравнения и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 12.

Первый вход корреляционного измерителя 4 (см. фиг.2) является входом опорного сигнала x(t) и соединен с первым выходом блока 1, второй y₁(t) соединен с первым выходом генератора 3, второй выход которого является выходом второго информационного сигнала y₂(f) и соединен со входом блока 2, управляющий вход генератора 3 соединен с выходом вычитателя 5, первый вход которого соединен с выходом корреляционного измерителя 4, а второй вход служит для подачи на него уникального кода то. Разрешающий выход блока 1 через элемент 6 задержки соединен с разрешающим входом Е блока 2.

Первый вход корреляционного измерителя 10 (см. фиг.3) является входом второго информационного сигнала у₂(t) и соединен с выходом блока 7, второй вход соединен с выходом генератора 9, выход корреляционного измерителя 10 соединен с первым входом блока 11, второй вход которого соединен с выходом ППЗУ 12, вход блока 8 соединен с выходом генератора 9.

В основе изобретения лежит идея передачи идентификационной информации в виде временного рассогласования двух сигналов, взаимокорреляционная функция R_xy(τ) которых имеет один выраженный пик при отсутствии относительного временного сдвига между ними. Один из сигналов, назовем его опорным x(t), вырабатывается в наземном устройстве опознавания, второй - первый информационный y₁(t) - в самом идентификаторе. Сигнал x(t), который, по сути, является сигналом запроса, излучается наземным устройством опознавания и принимается идентификатором летательного аппарата. Первым этапом идентификации является определение реального относительного временного сдвига τ_х между сигналами x(t) и y₁(t) в начальный момент идентификации. Для этого находится значение τ, при котором функция

обращается в максимум (T - время анализа). Соответствующее условию R_xy1(τ)=max значение параметра τ принимается за оценку относительного временного сдвига τ_x между x(t) и y₁(t). Идентификатору ставят в соответствие уникальный код опознавания τ₀ (фиг.1), который следует преобразовать во временной сдвиг между сигналами, служащими для переноса данной информации. Один из сигналов, как уже было отмечено - опорный x(t), второй - y₂(t) - следует создать из первого информационного сигнала y₁(t), сдвигая его на время τ_х-t₀. Полученный таким образом в идентификаторе второй информационный сигнал y₂(t) излучают для приема в наземном устройстве, где проводят второй этап идентификации: вычисляют взаимокорреляционную функцию

и находят значение τ, при котором R_xy2(τ)=max. Полученное значение τ, как в этом несложно убедиться, является оценкой уникального кода опознавания τ₀. Действительно,

y₂(t-τ)=y₁(t-τ-(τ_x-τ₀)),

следовательно, вышеприведенный корреляционный интеграл можно представить в виде

Сравнивая полученную запись с выражением для R_xy1(τ), несложно понять, что если R_xy1(τ) обращается в максимум при τ=τ_x, то R_xy2(τ) достигнет максимума, если будет выполнено условие

τ+(τ_х-τ₀)=τ_х,

из которого следует, что τ=τ₀. Таким образом, взаимокорреляционная функция R_xy2(τ) примет максимальное значение только при условии введения во второй информационный сигнал y₂(f) компенсирующей задержки, равной по значению уникальному коду τ₀.

Полученную оценку τ₀ сравнивают с кодами, содержащимися в перечне идентификаторов, и по результатам сравнения выносят решение о допуске летательного аппарата в охраняемую зону: при полном побитном совпадении кода τ₀ с одним из хранящихся в перечне кодов принимают положительное решение (объект опознан), при отсутствии совпадений - отрицательное (объект не опознан и/или допуск в охраняемую зону запрещен).

Из вышеизложенного видно, что конфиденциальная информация, поступающая от идентификатора, в самой структуре передаваемого сигнала y₂(t) не содержится. Информация об уникальном коде опознавания содержится во временном рассогласовании опорного x(t) и второго информационного сигналов y₂(t). Следовательно, перехват противником передаваемого сообщения (сигнала y₂(t)) не позволит ему получить информацию о коде опознавания по причине ее отсутствия в этом сообщении. Любая попытка перехватить и записать передаваемый сигнал y₂(t), с последующей его передачей в наземное устройство опознавания, не увенчается успехом, так как опорный сигнал будет сравниваться с ложным сигналом, фаза которого отлична от фазы истинного сигнала y₂(t).

Высокая помехоустойчивость реализуется за счет известных достоинств корреляционной обработки сигналов, при которой оценка параметра τ находится путем накопления данных и усреднения результатов за выбранное время анализа Т, увеличение которого, как известно, приводит к уточнению оценки τ. Следует также подчеркнуть, что по вышеуказанным причинам даже полное кратковременное (по сравнению с Т) пропадание сигналов y₂(t) или x(t), с высокой долей вероятности, не приведет к нарушению процесса идентификации.

Необходимость применения шумоподобных сигналов обусловлена их корреляционными свойствами - наличием выраженного и относительно узкого центрального корреляционного пика. Что же касается способов их получения, то они известны и в достаточном объеме описаны в различной литературе. Наибольшее распространение получили псевдослучайные последовательности, например, максимальной длины, которые используют для модуляции высокочастотных несущих.

Касаясь вопросов реализации заявленного способа, отметим, что основными узлами как идентификатора, так и устройства опознавания, являются корреляционные измерители, параметры которых определяют возможности системы идентификации в целом. В показанных на фиг.2, 3 устройствах задействованы два идентичных корреляционных измерителя 4, 10, служащих для нахождения относительных временных сдвигов. Генераторы 3, 9 формируют информационные сигналы и опорный соответственно. Предполагается, что начальные фазы сигналов x(t) и y₁(t) задаются произвольным образом, а сигналы являются идентичными, например псевдослучайными последовательностями одинаковой длины, сформированными по единому правилу. В идентификаторе принятый по радиоканалу опорный сигнал x(t) с выхода приемного ВЧ-блока подается на первый вход корреляционного измерителя 4, на другой вход которого поступает первый информационный сигнал y₁(t). Результат оценки τ_x в вычитателе 5 уменьшается на величину τ₀ (код τ₀ хранится в регистре, который на схеме не показан) и далее поступает на управляющий вход генератора 3, на втором выходе которого после получения разности τ_x-τ₀ первый информационный сигнал y₁(t) сдвигается на величину τ_x-τ₀, образуя таким образом второй информационный сигнал y₂(t), служащий для передачи по радиоканалу, при помощи передающего ВЧ-блока 2, в наземное устройство опознавания. Принятый в наземном устройстве сигнал y₂(t) с выхода приемного ВЧ-блока поступает на вход корреляционного измерителя 10, на другом входе которого присутствует опорный сигнал х(t). Полученная на выходе корреляционного измерителя 10 оценка τ₀ далее подается в блок сравнения 11 для побитного сравнения с кодами, хранящимися в ППЗУ 12 - кодами опознавания, соответствующими идентификаторам, входящим в ранее составленный перечень идентификаторов объектов (летательных аппаратов).

Приемный ВЧ-блок 1 служит для приема сигнала запроса от наземного устройства и преобразования его, включая демодуляцию, в форму, необходимую для корреляционного анализа. Передающий ВЧ-блок 2 служит для преобразования информационного сигнала y₂(t) в форму, включая формирование несущей, необходимую для передачи его по радиоканалу в наземное устройство (см. фиг.3). Включение передающего ВЧ-блока 2 осуществляется через время, задаваемое элементом 6 задержки, после получения сигнала запроса. Указанное время выбирается таким образом, чтобы разнести во времени процессы приема и передачи сигналов приемо-передающим устройством летательного аппарата. Для этого в блоке 1 должен быть предусмотрен специальный выход разрешения, активный уровень на котором появляется только после приема запросного сигнала. Приемный ВЧ-блок 7 служит для приема ответного сигнала от летательного аппарата и преобразования его, включая демодуляцию, в форму, необходимую для корреляционного анализа. Передающий ВЧ-блок 8 служит для преобразования сигнала x(t) в форму, включая формирование несущей, необходимую для передачи его по радиоканалу летательному аппарату.

Корреляционные измерители, служащие для определения относительных временных сдвигов, описаны в различных изданиях, в частности, в [АС SU 1795474. Корреляционное устройство для измерения времени задержки / Г.Р. Аванесян. - Опубл. 15.02.1993, Бюл. №6] приведено устройство, позволяющее определять τ при неизвестном знаке временного рассогласования сигналов. Для построения управляемого генератора 3 можно использовать техническое решение, предложенное в [АС SU 1536378. Генератор псевдослучайных последовательностей / Г.Р. Аванесян. - Опубл. 15.01.1990, Бюл. №2]. Описанный в указанном документе генератор позволяет генерировать две идентичные М-последовательности с управляемым относительным временным сдвигом, имеющим как положительный, так и отрицательный знак. Подчеркнем, что сигналы y₁(t), y₂(t) должны отличаться только фазами.

1. Способ идентификации летательных аппаратов, согласно которому идентифицируемый летательный аппарат оснащают идентификатором, излучающим и принимающим сигналы, идентификатору ставят в соответствие уникальный код опознавания, в наземном устройстве опознавания принимают сигналы и излучают, составляют перечень идентификаторов летательных аппаратов, характеризующихся кодами опознавания, отличающийся тем, что в качестве излучаемых сигналов используют шумоподобные сигналы, взаимокорреляционная функция которых имеет максимум при отсутствии относительного временного сдвига между ними, при этом сигнал, излучаемый наземным устройством, является опорным, в идентификаторе генерируют первый информационный сигнал, для идентификации на летательном аппарате при помощи идентификатора принимают опорный сигнал и путем взаимокорреляционного анализа находят относительный временной сдвиг между опорным сигналом и первым информационным сигналом, после чего сдвигают во времени первый информационный сигнал на величину, равную разности найденного относительного временного сдвига и уникального кода опознавания, преобразованного во временной сдвиг, созданный таким образом второй информационный сигнал излучают и принимают в наземном устройстве, где путем взаимокорреляционного анализа находят относительный временной сдвиг между опорным сигналом и вторым информационным сигналом, найденный в наземном устройстве относительный временной сдвиг соответствует уникальному коду опознавания, который сравнивают с кодами, имеющимися в перечне, при совпадении выносят решение об идентичности летательного аппарата тому из содержащихся в перечне, код которого идентичен уникальному коду идентифицируемого летательного аппарата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шумоподобные сигналы представляют собой радиосигналы, полученные в результате фазовой манипуляции несущих двоичными псевдослучайными последовательностями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шумоподобные сигналы представляют собой радиосигналы, полученные в результате частотной манипуляции несущих двоичными псевдослучайными последовательностями.

4. Радиотехническая система идентификации летательных аппаратов, состоящая из идентификатора, устанавливаемого на летательном аппарате и содержащего первый приемный высокочастотный блок и первый передающий высокочастотный блок, и наземного устройства распознавания, содержащего второй приемный высокочастотный блок, второй передающий высокочастотный блок, блок сравнения и запоминающее устройство, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, отличающаяся тем, что идентификатор содержит управляемый генератор информационных сигналов, первый корреляционный измеритель, вычитатель и элемент задержки, первый выход первого приемного высокочастотного блока соединен с первым входом первого корреляционного измерителя, второй вход которого соединен с первым выходом управляемого генератора, второй выход которого соединен со входом первого передающего высокочастотного блока, а управляющий вход управляемого генератора соединен с выходом вычитателя, первый вход которого соединен с выходом первого корреляционного измерителя, второй вход вычитателя является входом уникального кода опознавания, вход разрешения первого передающего высокочастотного блока соединен через элемент задержки с соответствующим выходом первого приемного высокочастотного блока, наземное устройство распознавания содержит генератор опорного сигнала и второй корреляционный измеритель, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, первый вход второго корреляционного измерителя соединен с выходом второго приемного высокочастотного блока, а второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, к выходу которого подключен вход второго передающего высокочастотного блока.