В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Защита от радиопомех в спутниковой связи

(полная версия)

Александр Степанов
Директор ФГУП "НПЦ "Вигстар", к.т.н.

Геннадий Верзунов
Руководитель центра программных исследований и маркетинга ФГУП "НПЦ "Вигстар"

Дмитрий Ганзий
Руководитель научно-технического центра ФГУП "НПЦ "Вигстар", д.т.н.

С каждым годом радиоэлектронная обстановка в промышленно развитых регионах усложняется. Действующие процедуры распределения ограниченного радиочастотного ресурса не гарантируют оператору работу без помех. Вероятно, уже в скором времени потребуются эффективные системы помехозащиты средств спутниковой связи. Наиболее перспективным, с точки зрения авторов данной статьи, решением этой задачи является применение систем пространственной режекции помех на основе адаптивных антенных решеток, обеспечивающих, исходя из пространственных различий характеристик полезного сигнала и помехи, автоматическое приспособление радиолиний к помеховой обстановке.

Одна из основных проблем разработки и функционирования телекоммуникационных систем – защита каналов связи от помех естественного и искусственного происхождения. Методы защиты от радиопомех были разработаны еще в середине ХХ века, тщательно систематизированы и описаны в отечественной и зарубежной специальной литературе, например в известных работах [1, 2]. Применение различных методов помехозащиты определяется техническими возможностями их реализации. Наиболее широко они используются и развиваются в специальных и военных системах связи, однако все чаще и чаще операторы гражданских систем связи вынуждены также прибегать к защите от радиопомех. Радиоэлектронная обстановка усложняется, но одновременно стремительно развивается и радиоэлектроника. Это позволяет реализовывать технически сложные, но весьма эффективные системы помехозащиты. Мы полагаем, что уже в ближайшие годы такие системы будут востребованы операторами спутниковой связи.

Методы помехозащиты

В самом общем виде, исходя из принципов реализации, можно выделить организационные, энергетические, сигнальные и пространственные методы защиты от радиопомех.

Организационный метод в простом варианте предполагает такоерасположение источников радиосигналов и такой выбор частот, при которых радиоэлектронные средства проектируемых систем не будут создавать взаимные помехи. Очевидно, что в настоящее время этот метод частотно-территориального разноса в условиях мегаполисов и промышленно развитых регионов, насыщенных радиоэлектронными средствами, становится не слишком эффективным. Однако он утвердился и применяется в форме, требующей выполнения обязательных, определенных международным и национальным регламентами процедур взаимной координации и регистрации полос радиочастот различных сетей. В ходе выполнения указанных процедур координации операторы должны прийти к соглашению о взаимоприемлемых соотношениях сигнал/помеха и тем самым достичь необходимого уровня электромагнитной совместимости. Для этой цели широко применяется метод поляризационной развязки. При необходимости используется метод частотного сегментирования, который ограничивает используемый частотный ресурс, но операторы вынуждены идти на это для достижения координационных соглашений на взаимоприемлемых условиях.

20–30 лет назад казалось, что строгое выполнение регламентных процедур и соблюдение соглашений обеспечит с высокой степенью вероятности функционирование систем связи без взаимных неприемлемых помех. Однако в настоящее время известные российские специалисты по радиочастотному обеспечению [3] полагают, что в спутниковой связи наступает кризис, связанный именно с самой системой распределения радиочастотного ресурса. Многие спутниковые операторы признают, что современные сети спутниковой связи, прошедшие все этапы координации и регистрации, тем не менее испытывают все больший уровень неприемлемых помех. Это означает, что организационный метод защиты от помех, основанный на действующих регламентных процедурах, во многом исчерпал себя и не может быть признан достаточно эффективным. Несмотря на это, указанный метод распределения частот, основанный на международных и национальных регламентах, является основным инструментом радиочастотного регулирования и сдерживания "радиочастотной анархии".

Энергетический метод борьбы с помехами предусматривает увеличение мощности передатчика до уровня, гарантировано превышающего возможные помехи. Он достаточно широко используется в специальных и военных системах спутниковой связи, однако его применение входит в противоречие с необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости, регламентными ограничениями и, кроме того, является энергетически затратным.

Благодаря быстрому развитию цифровой техники в последние 20 лет стало возможным реализовать на практике сигнальные методы помехозащиты, основанные на цифровой обработке сигнала и позволяющие обеспечить снижение воздействия помех на уровне 20…30 дБ. Это, прежде всего, применение псевдослучайных, многочастотных и широкополосных шумоподобных сигналов, а также методов помехоустойчивого кодирования сигнала. Они широко используются в современных системах спутниковой связи и демонстрируют удовлетворительную эффективность. Главный недостаток этих методов – необходимость расширения (в некоторых случаях весьма существенного) радиочастотного спектра для обеспечения защиты от радиопомех. В условиях естественной ограниченности радиочастотного ресурса это существенный недостаток, который снижает эффективность применения таких методов, особенно в высокоскоростных системах. Известно, что применение сигнальных методов приводит к снижению коэффициента помехозащиты пропорционально увеличению скорости потока информации. Несмотря на указанные недостатки, сигнальные методы остаются весьма эффективными, постоянно совершенствуются, и следует ожидать, что они будут востребованы и в перспективе, особенно в сочетании с некоторыми методами пространственной помехозащиты.

Последние разрабатываются и применяются уже не один десяток лет. Наиболее простые из них – экранирование радиоэлектронных средств в направлении воздействия помех и применение радиопоглощающих покрытий вопределенных зонах зеркала антенны для снижения влияния приема помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности антенной системы. Эти виды методов заняли свое место, но не получили широкого распространения ввиду того, что они не всегда способны обеспечить необходимый уровень защиты от радиопомех. Например, экранирование не обеспечивает надежной помехозащиты при случайном воздействии помех с неопределенного направления и при этом предполагает создание довольно громоздких конструкций. Радиопоглощающие покрытия имеют ограничения по уровню снижения помех, который далеко не всегда достаточен.

Метод радиоэлектронной компенсации помех, или пространственной режекции помех (наиболее сложный с точки зрения технической реализации), основан на воспроизведении копии мешающего сигнала, подлежащего подавлению. Отметим, что коэффициент помехозащиты этого метода, в отличие от сигнального, практически не зависит от скорости передачи информации. Его эффективность зависит от точности воспроизведения копии сигнала помехи и по некоторым оценкам [2], может достигать уровня подавления помехи до 40 дБ. Такой результат вполне возможно получить в лабораторных условиях. На практике же в системе пространственной режекции помех, работающей в реальных условиях воздействия помех с 2–3 направлений, уже сегодня достигнут уровень 20…25 дБ. Совершенствование электронной компонентной базы, а также применение принципиально нового математического аппарата и функционального программного обеспечения на его основе позволят существенно улучшить полученные результаты.

Пространственная режекция помех

В настоящее время создаются системы режекции помех (СПРП) на основе пространственного или пространственно-временного формирования минимумов в диаграмме направленности антенны в направлении действия мешающих сигналов с обработкой входных сигналов на рабочих или промежуточных частотах.

Как известно, моделирование воздействия помех от различных источников на земные станции спутниковой связи демонстрирует, что воздействие помехи на основной лепесток диаграммы направленности маловероятно. Наиболее вероятно и опасно воздействие сигнала помехи на боковые лепестки. Таким образом, при использовании пространственной режекции сигнал помехи принимается боковыми лепестками диаграммы направленности антенны защищаемой станции и главным лепестком одной из компенсационных антенн СПРП.

Схема СПРП представлена на рис. 1. Сигнал помехи, принятый компенсационной антенной, усиливается и поступает на один из входов амплитудно-фазового регулятора, где амплитуда и фаза комплексного напряжения мешающего сигнала изменяются в соответствии с выбранным алгоритмом адаптации.

РИС. 1. Схема пространственной режекции помех

Полученная таким образом копия помехи подается на компенсационный вход синфазного сумматора мощности, на другой вход которого поступает аддитивная смесь полезного сигнала и помехи. С выхода сумматора мощности сигнал передается в аппаратуру защищаемой станции и через адаптивный процессор на второй вход амплитудно-фазового регулятора, где происходит очередное изменение амплитуды и фазы мешающего сигнала. Вследствие итерационных процессов на компенсационном входе синфазного сумматора появляется напряжение помехи, равное по амплитуде и противоположное по фазе напряжению помехи, поступающему на основной вход сумматора от приемного канала защищаемой станции. В результате на выходе сумматора мощности имеются полезный сигнал и незначительный, на уровне шумов, остаточный сигнал помехи. При этом совокупный коэффициент помехозащиты повышается на 20…25 дБ в сантиметровом и до 25…30 дБ в дециметровом диапазонах волн в относительной полосе частот до 50%. На рис. 2 показано изменение диаграммы направленности антенны земной станции спутниковой связи в результате режекции помехи и формирование "нуля" диаграммы в направлении помехи.

РИС. 2. Формирование «нуля» диаграммы направленности основной антенны в направлении помехи:
а) взаимное положение диаграмм направленности основной и компенсационных антенн;
б) диаграмма направленности до адаптации;
в) диаграмма направленности после адаптации.

Проектирование СПРП необходимо проводить с учетом физических и технических принципов реализации. Основные требования к СПРП сводятся к следующему:
•    количество компенсационных каналов (антенн) должно быть не менее количества одновременно действующих помех;
•    диаграммы направленности основной и дополнительных компенсационных антенн должны иметь пространственную развязку на уровне не менее 20 дБ;
•    качество компенсационного приемного канала должно быть не ниже качества основного канала в направлении действия помехи.

В пространственно-временном смысле сигналы помех можно разделить на узкополосные и широкополосные. Это разделение предполагает принципиально разные алгоритмы и технологию обработки сигнала.

Известно [4], что в случае короткого радиоимпульса длительностью τ = 1/Δf, где Δf– полоса частот, занимаемая этим импульсом, уменьшение усиления антенной решетки происходит из-за того, что для различных спектральных составляющих формирующий луч смещен на различный угол, поэтому диаграмма направленности антенной решетки для импульсного сигнала более широкая, чем диаграмма направленности для центральной частоты. Если ввести понятие "Т – время заполнения раскрыва", определяемое как время, за которое фронт волны, распространяющийся под углом Q, проходит через весь раскрыв L:

где с – скорость распространения электромагнитной энергии, то при снижении усиления антенной решетки не более чем на1 дБ, длительность радиоимпульса должна быть равна времени заполнения раскрыва, тогда

В комплексе "СПРП – земная станция" размер раскрыва L_О определяется как максимальное расстояние между фазовыми центрами основной и дополнительной антенны. Если имеет место неравенство

сигнал помехи является узкополосным.

Для узкополосного сигнала пространственная и временная обработка разделены – антенна выполняет функцию только пространственной обработки, а временная обработка проводится в приемнике.

При невыполнении вышеприведенного неравенства сигнал является широкополосным в пространственно-временном смысле, следовательно, факторизация такого сигнала невозможна, и функции антенны не могут быть сведены только к пространственной обработке. В этом случае необходимо осуществлять совместную пространственно-временную обработку сигнала.

Пространственно-временная обработка сигнала в СПРП связана с необходимостью изменения весовых коэффициентов в соответствии с огибающей полезного сигнала. Возникает необходимость применения трансверсальных фильтров. Но реализация широкополосного амплитудно-фазового регулятора на основе трансверсальных фильтров представляет определенные технологические проблемы, поэтому желательно создавать такое антенное устройство СПРП, которое обеспечит факторизацию сигнала и соответственно факторизацию весовых коэффициентов. Функции антенны в этом случае сводятся только к пространственной обработке.

Для реализации указанного неравенства при воздействии узкополосной помехи под постоянным телесным углом расстояние L₀ между фазовыми центрами основной и дополнительной антенн целесообразно уменьшить путем подбора одинаковых набегов фаз сигналов по основному и компенсационным каналам с помощью отрезков недисперсионных линий передачи, например, отрезков фазостабильного кабеля.

При широкополосной или меняющей пространственные координаты узкополосной помехе необходимо применение трансверсальных фильтров на основе, например, регулируемой многоотводной линии задержки [5]. В каждом отводе линии задержки устанавливается относительно узкополосный амплитудно-фазовый регулятор с квадратурным расщеплением сигналов. Эффективность СПРП при использовании трансверсальных фильтров с тремя и пятью отводами, как показано в работе [6], практически одинакова, и для относительной частотной полосы сигнала до 40% достаточно трансверсальных фильтров с тремя отводами.

Практическая реализация СПРП

Система пространственной компенсации помех на практике реализованана американском военном спутнике DSCS-3 (Defense Satellite Communications System) [7]. Антенная система спутника распределена на 2 подсистемы: приемную и передающую. Приемная антенная подсистема состоит из 2 рупорных антенн глобального покрытия земли, 61-лучевой МЛА, обеспечивающей полное управление по амплитуде и фазе в каждом луче. Это позволяет формировать контурную диаграмму и "нуль" диаграммы направленности антенны в направлении на источник помех.

В разные годы российские и зарубежные операторы систем спутниковой связи были вынуждены прибегать к защите от радиопомех. Как правило, это было связано с воздействием мощных непреднамеренных помех от наземных радиосредств на станции спутниковой связи и управления с диаметрами антенн порядка 7 м. Для помехозащиты использовалось дорогостоящее оборудование, которое операторы посчитали экономически невыгодным переносить на новое место. Кроме того, перенос не гарантировал исключения помех в будущем ввиду того, что радиоэлектронная обстановка в регионах размещения станций была весьма сложной и в перспективе только ухудшалась. Для защиты от воздействия мощной радиопомехи на станции спутниковой связи были разработаны и установлены системы пространственной компенсации помех на основе компенсатора помех, который является частным вариантом адаптивной антенной решетки и представляет собой когерентное устройство подавления мешающих сигналов, принимаемых по боковым лепесткам диаграммы направленности. Компенсаторы позволили подавить помехи на величину порядка 15 дБ и обеспечили уверенный прием сигналов со спутника.

В российских разработках для создания пространственной защиты станций радиосвязи от помех используются СПРП, синтезирующие копии помеховых сигналов как на рабочей [8], так и на промежуточной [9] частоте. В первом случае в качестве амплитудно-фазового регулятора применяется система фазовращателей с диапазоном изменения фазы 0…360°,управляемых с помощью адаптивного процессора. Во втором случае используется автоматический регулятор комплексных амплитуд на основе фазовых детекторов.

Эксплуатация подобных СПРП в системах спутниковой связи дециметрового диапазона показала возможность устойчивой связи земных станций с низкоорбитальными спутниками при воздействии одной или двух пространственно разнесенных, одновременно воздействующих помех. Величина мешающего воздействия составляла до 25 дБ над уровнем шума, а величина полезного сигнала – не более 7 дБ. Время адаптации при этом составляет не более 2…3 с.

Антенные посты дециметровых СПРП представляют собой шестигранные призмы, на каждой грани которых устанавливаются антенные решетки, как это показано на рис. 3. Ширина диаграмм направленности антенных решеток в горизонтальной плоскости – 60°, в вертикальной – не более 10°. Это снижает вероятность попадания полезного сигнала в главный лепесток парциальной антенной решетки СПРП и тем самым практически исключает возможность развала диаграммы направленности антенны защищаемой станции и, как следствие, срыв сеанса связи.

СПРП сантиметрового диапазона строятся на базе автоматических регуляторов комплексных амплитуд, позволяющих завершать процессы адаптации в течение 50…100 мс и реализовать подавление нескольких одновременно действующих помех на глубину не менее 20 дБ. Антенный пост может быть выполнен в одном из двух вариантов:
• на основе антенны защищаемой станции;
• на основевосьмигранной антенной решетки.

В первом варианте дополнительные компенсационные антенны реализуются на базе рупорных облучателей, вынесенных из фокуса вдоль фокальной оси и расположенных перпендикулярно фокальной оси. В этом случае фазовые характеристики в раскрыве двухзеркальной антенны имеют квадратичную составляющую, обеспечивающую расширение диаграммы направленности, и линейную составляющую, обеспечивающую отклонение диаграммы направленности [10]. В результате главный лепесток диаграммы направленности антенны защищаемой станции находится в защитной пространственной воронке, образованной главными лепестками диаграммы направленности компенсационных антенн СПРП.

Второй вариант антенного поста реализован на основе 8 парциальных антенных решеток, расположенных на гранях восьмигранной призмы. В пространстве формируется дисковая диаграмма направленности СПРП, позволяющая блокировать помехи по азимуту 0…360° и углу места в пределах 10°.

Экономические аспекты применения СПРП

Описанные технологии пространственной режекции помех воплощены в реальных устройствах, что позволяет сделать некоторые предварительные экономические оценки. Наши расчеты показывают, что стоимость подавления одной помехи в настоящее время составляет порядка 2 млн руб. Это относительно высокая цена, и СПРП будет рентабельна при защите от помех крупных центров связи, телепортов и узлов.

Известно, что стоимость аренды спутникового ресурса составляет порядка $3–4 тыс. за 1 МГц в месяц, то есть для расчета вполне корректно принять некоторое усредненное значение порядка 85 тыс. руб./МГц/мес. или порядка 1 млн руб/МГц/год. Если узел связи подвергается воздействию постоянно действующей помехи, поражающей более 2 МГц рабочей полосы частот, то применение СПРП становится рентабельным и гарантированно окупается в течение года.

Оборудование СПРП, обеспечивающее защиту от 3–4 помех, действующих с произвольного направления, может стоить порядка 5–7 млн руб. и быть включено в состав центра связи уже на стадии проектирования. Учитывая стоимость современных спутниковых центров, его стоимость составит не более 10% от общей стоимости центра. При необходимости создания центра в условиях сложной электромагнитной обстановки это вполне умеренная плата за эффективную помехозащиту.

Выводы и перспективы

Таким образом, в настоящее время разработаны и реализованы технические и физические принципы создания широкополосных систем пространственной режекции помех. Уже сегодня центры и узлы спутниковой связи могут быть эффективно защищены от воздействия помех, действующих с нескольких направлений. Реализация ряда проектов подтвердила эффективность предлагаемых решений.

Заметное ухудшение электромагнитной обстановки, особенно в мегаполисах и промышленно развитых регионах, позволяет полагать, что системы пространственной режекции помех будут востребованы уже в краткосрочной перспективе. Основные задачи, которые необходимо решать постоянно, – это повышение эффективности помехозащиты и снижение стоимости оборудования.

Литература

1.     Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. и др. Защита от радиопомех. – М.: Советское радио, 1976. – 496 с.
2.     Диксон Р.К. Широкополосные системы. Пер. с англ./Под ред. В.И. Журавлева – М.: Связь, 1979. – 304 с.
3.     Кантор Л.Я. Расцвет и кризис спутниковой связи//Электросвязь. – М., 2007. – № 7.
4.     Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.
5.     Егоров И.П., Русаков П.В., Ганзий Д.Д. Реализация широкополосных систем пространственной режекции помех//Радиотехника. М., 2008. – № 2.– С. 90–92.
6.     Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенныерешетки: введение в теорию: Пер. с анг./Под ред.В.А. Лексаченко. – М.:Радио и связь, 1986. – 445 с.
7.     http://www.radioscanner.ru/info/article189/ Военные системы спутниковой связи (из справочника "Техника связи за рубежом", 1990 г.)
8.     Ганзий Д.Д., Егоров И.П. Адаптивный компенсатор помех. Патент РФ № 2307488 от 25.04.2006 г.
9.     Егоров И.П., Русаков П.В., Павлов В.В., Ганзий Д.Д. Система пространственной режекции помех на основе когерентного весового суммирования//Радиотехника. – М., 2007. – № 11. – С 3–5.
10. Ганзий Д.Д., Ганцевич М.М., Касаткин В.В., Матюшин П.П. Антенна Кассегрена с дополнительными облучателями для парциальных адаптивных каналов. Академия наук СССР, "Радиотехника и электроника", т. 49, № 5, 2004. С 580–586.