SYSTEMY ROZPOZNANIA I WALKI ELEKTRONICZNEJ PISZ 23 25 LISTOPADA 2010 KNTWE 10 INTEGRACJA NOWOCZESNYCH NAMIERNIKÓW RADIOWYCH W ZAUTOMATYZOWANYCH SYSTEMACH ROZPOZNANIA I WALKI ELEKTRONICZNEJ Roman JAŻDŻEWSKI Instytut Telekomunikacji Wydziału Elektroniki Wojskowa Akademia Techniczna 00-908 Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2 Paweł KANIEWSKI, Robert MATYSZKIEL Zakład Radiokomunikacji i Walki Elektronicznej Wojskowy Instytut Łączności 05-130 Zegrze, ul. Warszawska 22a Streszczenie W artykule przedstawiona została analiza parametrów technicznych oraz rozwiązań funkcjonalnych współczesnych namierników radiowych, które decydują o możliwości oraz zakresie integracji tych urządzeń w zautomatyzowanych systemach rozpoznania radiowego i walki elektronicznej. Uwzględniono wymagania wynikające zarówno z warunków technicznych (np. praca szerokopasmowa - namierzanie emisji z rozproszonym widmem), jak też z potrzeb operacyjnych zdefiniowanych dla systemów kompleksowej analizy danych rozpoznawczych ISTAR (Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance). Opisano problemy i zagadnienia związane z przetwarzaniem oraz przesyłaniem danych wynikowych. Przedstawiono również wybrane aspekty filtracji niezbędnych danych i dostarczania ich do obiektów wsparcia dowodzenia. Przedstawione zostaną wymagania i przykładowe środki łączności, dzięki którym możliwa jest wymiana informacji pozyskanych z systemów rozpoznania. W artykule zamieszczono także wyniki wybranych sprawdzeń i testów eksperymentalnych oraz doświadczenia eksploatacyjne nowoczesnych namierników. Przedstawiono wnioski, które mogą przyczynić się do poprawy wykorzystania nowoczesnych namierników radiowych w zautomatyzowanych systemach rozpoznania i walki elektronicznej. 1. WSTĘP Namierzanie radiowe (radionamierzanie, radiopelengacja, ang. Radio direction finding) jest dziedziną radioelektroniki zajmującej się technicznymi problemami określania położenia źródeł promieniowania fal radiowych, do których należą: radiostacje, stacje radiolokacyjne, telefonia GSM, sieci WLAN, radiolinie, nadajniki zakłóceń itp. Źródła te zainstalowane są na określonych obiektach, przez co możliwe jest określenie ich lokalizacji. Właściwość ta jest szczególnie istotna w zastosowaniach wojskowych, ponieważ umożliwia określenie lokalizacji sztabów i stanowisk dowodzenia oraz innych obiektów przeciwnika. Obserwowany stały postęp w dziedzinie możliwości obliczeniowych skutkuje poprawą parametrów wielu typów urządzeń, których jakość jest uzależniona od osiąganej szybkości przetwarzania danych. Dzieje się tak m.in. w obszarze cyfrowego przetwarzania sygnałów, gdzie zwiększenie szybkości analizy widmowej można wykorzystać w celu zwiększenia jej dokładności przez zmniejszenie kroku analizy bądź do zwiększenia częstotliwości odświeżania widma. Zwiększyć można zatem rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości lub czasu. Równocześnie obserwowany jest rozwój układów elektronicznych służących do budowy torów odbiorczych,
co prowadzi do powstania w ostatnich latach urządzeń szerokopasmowych, które umożliwiają ciągłą obserwację (bez konieczności przestrajania i zmiany zakresu) sygnałów w szerokim zakresie częstotliwości. Umożliwiło to m.in. powstanie analizatorów widma czasu rzeczywistego, zmieniło także zasadniczo możliwości namierników. Nowoczesne namierniki radiowe oferują na tyle szerokie możliwości, że celowe jest zastanowienie się nad ich rolą w zautomatyzowanych systemach rozpoznania i walki elektronicznej oraz przeprowadzenie analizy prowadzącej do opracowania zaleceń dotyczących właściwego ich wykorzystania. Temu zagadnieniu poświęcony jest niniejszy artykuł. 2. ANALIZA MOŻLIWOŚCI TECHNICZNYCH WSPÓŁCZESNYCH NAMIERNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA ARCHITEKTURĘ SYSTEMÓW ORAZ REALIZACJĘ PROCESU ROZPOZNANIA RADIOWEGO Współczesne namierniki radiowe umożliwiają nie tylko namierzanie sygnałów na wskazanych częstotliwościach ale także prowadzenie szerokopasmowego poszukiwania w dziedzinie częstotliwości. Informacje o amplitudzie sygnału jego częstotliwości oraz azymucie są uzyskiwane dokładnie w tym samym momencie. Skojarzenie tych informacji jest szczególnie korzystne w rozpoznaniu radiowym gdyż, na podstawie określenia sektorów (czy obszarów) zainteresowania możliwe jest bardzo szybkie odrzucenie tych częstotliwości sygnałów, które emitowane są ze źródeł własnych (i nie są interesujące z punktu widzenia rozpoznania) bez konieczności szczegółowej analizy technicznej, klasyfikacji i identyfikacji czy nawet odsłuchu przez operatora. Namierniki radiowe z urządzeń wykonujących kolejne, dalsze zadania w łańcuchu procesu rozpoznania radiowego stały się urządzeniami czołowymi inicjującymi ten proces. O podstawowych parametrach namiernika, takich jak czułość czy dokładność namierzania decyduje zwykle konstrukcja jego systemu antenowego. Z tego względu systemy antenowe namierników radiowych należą do jednych z bardziej skomplikowanych i złożonych. O ostatecznych parametrach eksploatacyjnych urządzenia decyduje także miejsce i sposób rozwinięcia jego systemu antenowego. Zwykle satysfakcjonujące parametry (głównie dobra czułość), optymalny wybór miejsca instalacji czy rozwinięcia systemów antenowych namierników (na wierzchołkach masztów) a także potrzeba unikania obiektów odbijających fale radiowe w ich sąsiedztwie powodują, że anteny namierników radiowych są źródłem sygnałów także dla torów przechwytu czy analizy technicznej sygnałów. Najnowocześniejsze namierniki projektowane są w postaci uniwersalnych urządzeń łączących funkcje nie tylko automatycznego szerokopasmowego poszukiwania i namierzania ale także, dzięki możliwościom cyfrowej downkonwersji (filtracji oraz przemiany częstotliwości sygnałów do pasma podstawowego), przechwytu oraz analizy technicznej wydzielonych sygnałów wąskopasmowych (od kilku do kilkuset torów). Stosowanie rozwiązań, w których dostępny jest niekomutowany kanał referencyjny umożliwia prowadzenie jednoczesnego szerokopasmowego namierzania oraz przechwytu wykrytych sygnałów wąskopasmowych z wykorzystaniem pojedynczej anteny. Przetwarzanie szerokopasmowe jest bezwzględnie wymagane w przypadku namierzania emisji szerokopasmowych, do których należy coraz liczniejsza grupa sygnałów z rozproszonym widmem. Przetwarzanie szerokopasmowe zwiększa także liczbę oraz szybkość wykrywania i namierzania sygnałów wąskopasmowych występujących w szerokim paśmie analizy. Odbywa się to niestety kosztem pogorszenia zakresu dynamiki a w efekcie także możliwości wykrywania słabych sygnałów występujących w obecności szumów oraz silnych sygnałów interferujących powodujących intermodulacje. 2
Aktualnie dostępne pasma częstotliwości przetwarzanego koherentnie sygnału w namiernikach radiowych dochodzą do kilkudziesięciu MHz. Ważne jest także zapewnienie odpowiedniej rozdzielczości częstotliwościowej (rzędu kilkudziesięciu do kilkuset Hz, szczególnie w przypadku namierzania emisji w zakresie HF). Ważne jest także zapewnienie dużej szybkości odświeżania wyników. Zaznaczyć należy, że wymagania te często kolidują ze sobą. Uzyskaniu szerokiego pasma przetwarzanego w czasie rzeczywistym (lub akceptowalnie krótkim) towarzyszy pogorszenie rozdzielczości częstotliwościowej oraz czułości. Zapewnienie dobrej rozdzielczości częstotliwościowej oraz szerokiego pasma analizy wymaga zwiększenia rekordu przetwarzanych danych oraz wydłużenia czasu obliczeń i transmisji wszystkich wyników. W systemach lokalizacji konieczna jest możliwość przesłania wyników namierzania z poszczególnych namierników do stanowiska kierowania namierzaniem (pełniącego zwykle rolę serwera lokalizacji). Najlepszym rozwiązaniem jest przesyłanie pełnych strumieni zespolonych prążków FFT oraz elementarnych wyników namierzania. Rozwiązanie to, głównie ze względu na ograniczoną przepływność środków łączności, nie zawsze jest możliwe. W systemach o ograniczonej przepływności zwykle wykorzystuje się namierniki realizujące wstępne przetwarzanie oraz ekstrakcję wyników. Ekstrakcja polega na określaniu namiarów tylko dla emisji przekraczających tzw. próg detekcyjny oraz grupowaniu elementarnych wyników namierzania. Ustawianie identycznych wartości bezwzględnych progów detekcyjnych dla wszystkich namierników pracujących w systemie nie jest korzystne ze względu na lokalnie różny poziom szumów, zakłóceń oraz intermodulacji. Oddzielna regulacja wartości progu detekcyjnego jest korzystniejsza w zależności od lokalnego poziomu namierzanego sygnału oraz poziomu szumów i zakłóceń. Rozwiązaniem kompromisowym jest stosowanie tzw. progu względnego ustawianego adaptacyjnie w stosunku do poziomu tła szumowego. Parametry techniczne, sposób i zakres przetwarzania danych oraz ilość wyprowadzanych informacji mają istotny wpływ na sposób integracji współczesnych namierników radiowych w zautomatyzowanych systemach rozpoznania radiowego. Pomimo możliwości obliczeniowych współczesnych urządzeń cyfrowego przetwarzania sygnałów oraz przepływności systemów łączności nadal poważnym problemem i wyzwaniem jest namierzanie i lokalizacja emisji z rozproszonym widmem występujących współpasmowo. Problem dotyczy głównie emisji z rozpraszaniem bezpośrednim typu DS/SS. Opracowane i znane są rozwiązania teoretyczne jednak nadal brak jest ofert aplikacji praktycznych dla realnych sygnałów radiowych. 3. DEFINICJA WYMAGAŃ TECHNICZNYCH I POTRZEB OPERACYJNYCH NAMIERNIKÓW W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy (doprowadzenie zasilania, klimatyzacja, dołączenie terminala umożliwiającego obsługą operatorską) namierniki radiowe jako urządzenia instalowane są na obiektach (ruchomych, stacjonarnych) nazywanych zwykle aparatowniami lub stacjami namierzania. Od współczesnych stacji namierzania radiowego wymaga się przede wszystkim realizacji szybkiego namierzania (wyznaczania kierunku do źródła promieniowania emisji), ale także kontroli i przechwytu emisji radiowych jak również określania podstawowych parametrów technicznych odbieranych sygnałów w wyznaczonym obszarze odpowiedzialności. W celu umożliwienia lokalizacji stacje namierzania radiowego muszą zapewnić współdziałanie z centrum kierowania w celu wymiany odpowiednich komend, meldunków oraz informacji z rozpoznania. Stacje namierzania muszą także zapewnić możliwość pracy ciągłej. 3
Do podstawowych funkcji stacji namierzania należy zaliczyć: namierzanie emisji radiowych (określanie kierunku na źródło promieniowania); poszukiwanie, przechwyt i śledzenie sygnałów radiowych; określenie podstawowych parametrów technicznych odbieranych sygnałów takich jak: częstotliwość, rodzaj emisji, szerokość pasma; automatyczne określenie swojego położenia i orientacji w terenie; łączność wewnętrzną pomiędzy stanowiskami pracy operatorów; współdziałanie z systemem kierowania systemem namierzania w celu wymiany odpowiednich komend, meldunków oraz informacji z rozpoznania. Ze względów funkcjonalnych, zaleca się aby stacje namierzania wyposażone były w następujące stanowiska operatorskie: a) stanowisko namierzania, b) stanowisko kontroli i przechwytu. Na stanowisku kontroli i przechwytu stacji namierzania radiowego musi znajdować się terminal komputerowy umożliwiający zdalne sterowanie odpowiednim odbiornikiem radiowym. Zestaw ten zapewni szybkie wykrycie źródeł emisji w całym lub zadanym zakresie częstotliwości pracy stacji poprzez panoramowe zobrazowanie zajętości zakresu oraz określenie podstawowych parametrów tych emisji, takich jak częstotliwość, rodzaj emisji, szerokość pasma a także automatyczną rejestrację odbieranych informacji. Stanowisko namierzania realizuje funkcję automatycznego namierzania na źródła emisji sygnałów radiowych w tym także z rozproszonym widmem. Na stanowisku tym musi znajdować się terminal komputerowy połączony z zestawem bazowym, zapewniającego automatyczne określanie azymutu na źródła promieniowania sygnałów w zadanym zakresie częstotliwości. Namiernik ten musi umożliwiać namierzanie fal przyziemnych oraz jonosferycznych (w zależności od zakresu częstotliwości pracy namiernika). Oprócz wymieniowych wyżej cech współczesne stacje namierzania radiowego pracujące w obszarze odpowiedzialności danego związku muszą posiadać możliwość współdziałania w ramach zintegrowanego systemu rozpoznawczego wyższego szczebla. W celu zapewnienia bezpieczeństwa i kontroli dostępu do każdej z aplikacji, oprogramowanie stanowisk stacji namierzania radiowego musi realizować: a) dwupoziomową procedurę mechanizmu zabezpieczeń: system operacyjny i specjalistyczne oprogramowanie użytkowe aplikacja: bezpieczną kontrolę praw dostępu użytkowników w procesie logowania do systemu, uwierzytelnianie, monitorowanie i kontrolę dostępu użytkowników do zainstalowanych aplikacji, b) nadzór nad ciągłością i integralnością sesji klient, c) możliwość szyfrowania danych, d) możliwość uwierzytelnienia źródła informacji (weryfikacja wiarygodności), e) prowadzić dziennik zdarzeń i jego archiwizację. 4
4. MOŻLIWOŚCI POLOWEGO SYSTEMU ŁĄCZNOŚCI W ŚWIETLE POTRZEB SYSTEMÓW ROZPOZNANIA I WE W polowym systemie łączności wykorzystuje się przewodowe i bezprzewodowe relacje łączności. Środki przewodowe, w szczególności światłowodowe, zapewniają wysoką przepustowość łączy, a przy tym niską bitową stopę błędów. Zapewniają ponadto bezpieczeństwo elektromagnetyczne, uniemożliwiając rozpoznanie i przeciwdziałanie elektroniczne. Mimo niewątpliwych zalet, możliwość ich wykorzystania w systemach WE jest ograniczona w zasadzie wyłącznie do terytorium własnego kraju (za granicą do rejonu bazy), na wyższych poziomach organizacyjnych wojsk oraz w okresie pokoju. Wynika to z wrażliwości traktów przewodowych na uszkodzenia, dużej odległości między obiektami systemów WE (długi czas rozwijania traktów oraz konieczność angażowania znacznych sił i środków) i pożądanej mobilności (wzrastającej na niższych szczeblach). Systemy wykorzystywane na poziomie taktycznym są wyposażane w odcinki kabli światłowodowych do połączenia obiektów skupionych w rejonie centrum dowodzenia oraz do wykorzystania w procesie szkolenia poligonowego i w jednostkach. Dwa typy obiektów stacje namierzania oraz stacje zakłócania muszą być w warunkach bojowych dowiązywane bezprzewodowo, czyli drogą radiową. Spośród środków bezprzewodowych wykorzystywanych w polowym systemie łączności warto wymienić: środki satelitarne, urządzenia bezprzewodowe pracujące w trybie punkt-punkt (w tym WLAN i radiolinie), radiostacje różnych zakresów, zazwyczaj pracujące w sieciach radiowych. Łączność satelitarna posiada szereg zalet, z których najważniejszą jest duży zasięg, jednak jej użycie wiąże się ze stosunkowo wysokim kosztem eksploatacji, przez co terminale satelitarne są używane niemal wyłącznie w sytuacjach, gdy nie ma dla nich alternatywy. Środki bezprzewodowe pracujące w trybie punkt-punkt zapewniają przepustowość rzędu Mb/s oraz stopę błędów na poziomie 10-3 10-4. Ich wykorzystanie jest ograniczone warunkami terenowymi nieprzesłonięta I strefa Fresnela, a także operacyjnymi potrzeba rozwijania masztów antenowych. Radiostacje pola walki zapewniają najbardziej elastyczną łączność, nawet w ruchu, jednak udostępniają przepływności o dwa lub trzy rzędy wielkości niższe niż WLAN lub radiolinie oraz o rząd wielkości wyższą stopę błędów. W każdym nowoczesnym systemie dowodzenia i kierowania środkami walki, jak i w systemie WE występuje potrzeba wymiany informacji multimedialnych. Do podstawowych rodzajów informacji tego typu można zaliczyć: a) rozkazy i meldunki związane z zadaniami namierzania i zakłócania, b) sygnały sterujące pracą urządzeń walki elektronicznej, m.in. odbiorników, namierników, wzbudników i rejestratorów cyfrowych, c) dane pochodzące z przechwyconych emisji radiowych / 1, 1 / Zalicza się do nich wszelkie dane z nasłuchu radiowego zwracane w postaci cyfrowej przez odbiorniki radiowe różnych zakresów. Ze względu na specyficzny format transmisji tych danych oparty o protokół firmowy producenta danego odbiornika radiowego, dane te są przesyłane zazwyczaj do specjalizowanych, bezpośrednio podłączonych komputerów dokonujących analizy przechwyconych emisji radiowych. Ze względów technicznych transmisja ta odbywa się tylko wewnątrz obiektów wyposażonych w odbiorniki radiowe. 5
d) informacje od i do systemów zewnętrznych, w ramach podległości służbowej i współdziałania, e) dane wymieniane w ramach podsystemu zarządzania (konfiguracja, monitoring), f) informacje foniczne / 2, g) obrazy ruchome / 3. Wszystkie wymienione typy informacji składają się na szeroko rozumianą transmisję danych w trybie pakietowym i, zgodnie ze współczesnymi zaleceniami, transmitowane są we wspólnym kanale łączami światłowodowymi, a także relacjami bezprzewodowymi. Transmisja danych w łączach WLAN i radioliniowych realizowana jest z wykorzystaniem routerów, które dokonują przeniesienia pakietów IP z ramek Ethernet do struktur transmisyjnych odpowiednich dla tych łączy. W przypadku transmisji danych poprzez łącza radiowe, zazwyczaj zakresu UKF lub KF, wykorzystuje się możliwości transmisji pakietowej nowoczesnych radiostacji, zaś w przypadku starszych środków radiowych rolę routera pełnią specjalizowane bramy dopasowujące transmisję danych IP do simpleksowego charakteru pracy środków radiowych. Wybór środków łączności na potrzeby zautomatyzowanych systemów rozpoznania i walki elektronicznej wynika w dużym stopniu z możliwości nowoczesnych namierników radiowych, ponieważ wyposażone w nie stacje namierzania, w odróżnieniu od stacji zakłócania, stanowią źródło dużych strumieni informacyjnych. Z reguły do dowiązania stacji namierzania stosowane są urządzenia bezprzewodowe pracujące w trybie punkt-punkt. Jako środki transmisyjne w stacjach zakłócania wykorzystuje się radiostacje. Pozostałe obiekty systemu mogą być natomiast dowiązane kablami światłowodowymi. Ze względów niezawodnościowych najczęściej stosuje się dublowanie łączy, zazwyczaj przy pomocy urządzeń zapewniających gorsze parametry. W przypadku stacji namierzania są to radiostacje. Możliwości stacji namierzania dowiązanej w ten sposób nie są wykorzystane w pełni ze względu na ograniczenia przepływności łącza. 5. WNIOSKI W niniejszym artykule przedstawiono analizę możliwości technicznych współczesnych namierników wpływających na architekturę systemów oraz realizację procesu rozpoznania. Dokonano także analizy możliwości polowego systemu łączności w świetle potrzeb systemów rozpoznania i WE. Skupiono się głównie na ocenie możliwości łączy bezprzewodowych, ponieważ stacje namierzania z reguły dowiązywane są do centrum kierowania systemem namierzania z wykorzystaniem bezprzewodowych środków łączności. Z przedstawionej analizy wypływa kilka istotnych wniosków: 2 / Zalicza się do nich wszelkie transmisje, które przed ucyfrowieniem mieszczą się w telefonicznym paśmie akustycznym od 300 Hz do 3400 Hz. Mogą być to transmisje: - sygnałów mowy, - sygnałów audio (analogowych) pochodzących np. z odbiorników i namierników radiowych, - sygnałów audio (cyfrowych) odtworzonych z rejestratorów cyfrowych. Analogowa postać informacji fonicznych jest przekształcana, możliwie jak najbliżej źródła, w postać cyfrową, a dalsza transmisja realizowana jest w postaci cyfrowej. 3 / Możliwość realizacji wideo połączeń nie jest niezbędna do działania systemu WE, jednak wyposażenie techniczne obiektów oraz baza telekomunikacyjna części nowoczesnych systemów są przygotowane do realizacji tego typu usługi w przypadku zgłoszenia takiej potrzeby przez użytkowników. 6
1. Parametry techniczne, sposób i zakres przetwarzania danych oraz ilość wyprowadzanych informacji mają istotny wpływ na sposób integracji współczesnych namierników radiowych w zautomatyzowanych systemach rozpoznania radiowego. 2. Wybór środków łączności na potrzeby zautomatyzowanych systemów rozpoznania i walki elektronicznej wynika w dużym stopniu z możliwości nowoczesnych namierników radiowych, ponieważ wyposażone w nie stacje namierzania stanowią źródło dużych strumieni informacyjnych. 3. Pomimo możliwości współczesnych systemów łączności nadal poważnym problemem i wyzwaniem jest namierzanie i lokalizacja emisji z rozproszonym widmem występujących współpasmowo. Problem dotyczy głównie emisji z rozpraszaniem bezpośrednim typu DS/SS. Opracowane i znane są rozwiązania teoretyczne jednak nadal brak jest aplikacji praktycznych dla realnych sygnałów radiowych. 4. Tylko łącza szerokopasmowe, tj. o minimalnej przepustowości na poziomie Mb/s, są w stanie zapewnić pełne wykorzystanie możliwości oferowanych przez współczesne stacje namierzania. 7