PLRS干扰技术研究

航天电子对抗第21卷第3期收稿日期:2004-07-31作者简介:陈红(1965-),女,副教授,主要从事通信对抗方面的教学、科研工作。

PLRS 干扰技术研究陈 红,蔡晓霞(解放军电子工程学院,合肥 230037)摘要: 介绍了PLRS 的工作方式、多边定位原理、网络结构和系统的反侦察、抗干扰性能等,详细分析讨论了对该系统实施干扰的方法。

关键词: PLRS;时分多址;干扰中图分类号: TN975 文献标识码: A1 引言PLRS 是一种新型扩频定位报告系统(Position Lo cation Repo rting System),是为美陆军和海军陆战队研制的自动化定位导航、识别和通信系统,以替代用地图和罗盘定位,然后通过常规无线电话网来传递信息的现用人工定位系统,是美军C 3I 系统的重要组成部分,它的应用将大大减少战场作战的盲目性,从而有效地提高作战效能。

本文介绍了PLRS 的工作方式、多边定位原理、网络结构和系统的反侦察和抗干扰性能等,详细分析讨论了对该系统实施干扰的方法和途径。

2 PLRS 概述2.1 工作方式PLRS 是一种可移动的定位和导航系统,它利用时分多址(TDM A)技术实时跟踪一个陆军师内数百个地面和空中用户设备的位置。

对战场用户来说,PLRS 是一个装有天线和数据输入/输出装置的小盒子,它使用户及指挥员都能知道用户在何处,并且能给用户提供通向主控设备公用用户数据库的输入输出通路。

对于指挥员来说,PLRS 是一幅电子地图,它能表示出其指挥区域内所有装备PLRS 的用户的精确位置。

用户位置的定位精度在几米以内,而且当主控设备不在视距内时,每个用户都能通过中继发送和接收信息。

PLRS 网络由2台主控设备和多达400台的用户设备组成,采用时分多址方式使大量地域分散的用户共用同一信道以近实时地交换信息。

系统内时间按时元、时帧和时隙划分时元为64s,时帧占1/4s 即250m s,而时隙为2ms,如图1所示。

其中,在同一频率上停留时间是800 s,传播/保护时间是1.2ms 。

主控设备根据各用户要求的不同响应时间(4秒/次~1分/次),将不同大小的时隙块分配给各用户,每个用户轮流在分配的时隙内发射脉冲串,而其他用户则收听。

图1 PL RS 时间划分关系图2.2 多边定位原理PLRS 利用多边技术对系统用户进行定位和跟踪。

多边技术就是利用多次测距来定位,用户设备3发射一串脉冲,主控设备、用户设备1和用户设备2接收这个信号,分别测得信号的到达时间TOA 1、T OA 2和TOA 3,用户设备1和用户设备2将TOA 2和TOA 3中继给主控设备后,由主控设备利用这些到达时间来计算该网络内每台设备的位置。

不管网络有多么大,只要1个用户设备与3个以上其他用户设备有直接联系,主控设备就能准确找出这台用户设备的位置。

主控设备的软件能至少在每个更新周期内对每个用户设备产生一次新的多边数据,并且重新计算一次每个用户的位置。

2.3 网络结构PLRS 网络是由1组PORT 链路组成的通信结542005(3)陈红等:PLRS干扰技术研究构,如图2所示。

它能直接或通过1~3个中继节点把各用户设备(节点)与主控设备连接起来。

直接连接的设备叫做 A 级节点;通过1级中继连接的设备叫做 B 级节点;如此等等。

因此, D 级设备相当于其路径上含有4节PORT链和3个中继节点(1个A、1个B和1个C)的节点。

D 级是PLRS工作所需要的最高级。

在每1条PORT链路上能作多对到达时间测量,并回报给主控设备。

因此,除了测距之外,还能用成对的到达时间测量值跟踪用户设备的时钟,如 A 级时钟定期地与主控设备时钟校对, B 级时钟与 A 级时钟校对等等。

为了利用多边结构单值地确定出节点的位置,需要有3个到事先已定位节点的距离。

因此为了网络启动工作,必须至少先建立起3个节点的位置,这3个节点叫基准节点。

图2 P LR S网络简化结构可见,PLRS与JT IDS(联合战术信息分发系统)采用截然不同的网络管理方式,JTIDS系统是 分布式 的,不存在承担网络组织工作的主控设备;而PLRS系统是集中管理的,主控设备对网的管理负有主要责任,除了分派转发路径和交叉链路的基本功能外,还负责消息流控制、通报、以及性能监测等。

1个PLRS网可以包含若干个(如5个)主控设备,每个主控设备管理几百个用户设备。

PLRS网络的整体中继功能,使得所有用户都能依赖于其它用户完善的中继能力来提供返回主控设备的通信路径,在网的所有用户设备都可兼作中继点。

2.4 PLRS的反侦察和抗干扰措施为保障PLRS能在面临有意或突发干扰的电子战环境中进行定位和通信,系统采用多种反侦察和抗干扰措施:(1)直接序列扩频PLRS信号采用扩频信号传输波形,伪码速率选为5Mbps,伪码码元为0.2 s,频移键控M SK调制,信号频宽为3M H z。

在2m s时隙内,发射信号的时间约为800 s,其中,同步段约占110 s,信息段则占691.6 s,含3458伪码,每个信息码以19个伪码扩频。

(2)跳频为了进一步增强反侦察和抗干扰能力,PLRS在扩频的同时进行跳频。

其工作频段为420~450M H z,总频宽为30M H z。

每频道的M SK调制的信号频宽为3M H z,则在工作频段内可有10个频道,考虑频段高低端两边应各留出一段保护带,则实用8个频道以供跳频,跳频速率约为50~60跳/秒,计划可达512跳/秒,即每个时隙跳变一次。

(3)数据加密PLRS采用了发射加密(T SEC)和消息加密(M SEC)双重保密措施,且每隔12h由主控站以无限遥控方式自动把密钥注入到各用户设备。

(4)数据纠检错编码PLRS波形的数据纠检错编码,是建立在用于纠检错的汉明码和用于消息验证的截短了的循环码的基础上的。

数据校验用(104,94)循环冗余检测码,交错纠检错用(104,94)汉明纠错码和交织编码,另外,对重要消息,接收用户要发回确认消息。

3 对PLRS的干扰技术研究3.1 瞄准式干扰(1)定频瞄准式干扰当掌握敌方PLRS的跳频图案、各线路的直扩序列图案和各用户的数据密钥,即掌握敌方PLRS的绝密核心时,可对其实施空中全面侦收。

通过对PLRS 的各时隙的信息段全面侦收,可得知网控站(主控站)和各用户的精确方位、各用户的属性、各通信线路的信息内容,从而可精确实时地探明敌方兵力部署、作战意图和行动。

在关键时刻,在继续侦收的同时,可对其重要通信线路(即特定的时隙块)实施瞄准式干扰,以破坏其作战命令的下达、支援行动的实施。

甚至可以模拟主控设备实施欺骗性干扰,发出假命令和伪情报,使敌方相互间误伤或错入陷阱遭围歼。

使用方为了阻止这种情况的发生,必然千方百计采取多种措施以防止从任何渠道泄露PLRS的绝密核心,并且防止对方从无线侦察中得知PLRS的绝密核心。

故采用数据加密及直扩和跳频的组合扩谱体制以尽可能提高其反侦察和抗干扰能力。

PLRS采用一种高级算法的密码系统,一般需一台大型计算机运算几天才能实现破译,况且其密钥是每隔12h即更换一次;55航天电子对抗2005(3)在直接序列扩谱方面,PLRS网络的每条线路采用不同密钥,即采用不同的伪序列图案;另外,当多个信道PLRS同时存在时,例如每个师可有4个网控站控制的4个PLRS信道同时运行,各信号混杂或重迭在一起,使信号载体实时破译难度更大大增加。

这些通信技术的不断发展使得对PLRS系统实施定频瞄准式干扰很难奏效。

(2)频率跟踪式干扰频率跟踪式干扰是对付慢跳频通信系统的一种有效的干扰手段。

当PLRS的跳频速度较慢,为50~60跳/秒时,即每隔8个时隙跳频1次,干扰方通过侦察可以掌握其每次跳频开始的时隙,即可掌握此时隙开始的时刻。

此时,引导接收机开始侦收,当接收到此时隙的跳频频率为f1,则令干扰机的发射部分调整到频率f1,此干扰发射可持续7个时隙的时间,干扰概率可达87.5%以上。

待到下一个跳频开始时隙的时刻,干扰停止发射,而引导接收部分转入侦收,当接收到此时隙的跳频频率为f3,则令干扰调整到频率f3进行发射,从而实现对PLRS的频率跟踪式干扰。

当PLRS的跳频速率达到512跳/秒,即每个时隙跳频1次时,由于PLRS1个时隙发射1个脉冲,脉冲宽度为800 s,即该跳频频率的驻留时间为800 s。

为了对PLRS信号实施有效的频率跟踪式干扰,要求在每一个载频上的干扰时间不小于信号驻留时间的一半,即每个时隙的干扰时间不小于400 s,也就要求干扰系统的反应时间不大于400 s。

干扰系统的反应时间主要包括:信号的截获时间、信号的分选识别时间、干扰引导时间以及电波传播路径差带来的时延时间等。

目前采用截获速度较高的压缩接收机、声光接收机或信道化接收机,其截获时间大约在100 s左右;从上百个信号中分选出某一跳频信号,分选识别的处理时间需要100 s;干扰引导时间主要取决于频率合成器的转换时间和信号建立时间,若采用目前转换速度最快的频率合成器,干扰引导所需的时间大约为10 s;电波传播的时延时间决定于干扰机到跳频收、发信机距离之和再减去收、发信机之间距离之差,该距离差为30km时,电波传播引起的时延约为100 s。

把这些时间加在一起,则总的干扰反应时间为310 s,小于400 s。

很显然,以目前的技术条件,跟踪式干扰的反应时间在百微秒数量级,对PLRS系统采用频率跟踪式干扰可以获得很好的干扰效果。

3.2 拦阻式干扰在无法掌握敌方PLRS的跳频图案、各线路的直扩序列图案和各用户的数据密钥等绝密核心,无法查明PLRS网内共有多少条通信线路、各线路的属性及其在PLRS内各自的时隙块的情况下,宜对PLRS实施拦阻式干扰。

即在指定干扰时刻内,在时域上连续对所有时隙和在频域上同时对所有频道都实施干扰。

(1)升空拦阻式干扰采用拦阻式干扰时,拦阻带宽要和PLRS信号的工作频宽相同。

前面介绍过,PLRS是在8个频道跳频,则干扰机的瞬时频宽应为24MH z。

拦阻式干扰的最佳干扰方式是锯齿波线性宽带扫频和相关窄带调制相结合的工作模式,锯齿波线性宽带扫频以获得宽带频谱即PLRS的工作频宽24M H z,锯齿波频率F要等于信号的频道间隔即3M H z,从而产生与信号频道相匹配的等强度的干扰分量,达到对频道相同的干扰效果。

相关窄带调制则对各频道的直扩信号实现最佳相关干扰,即干扰和信号的伪码调制同为M SK调制,干扰和信号的伪码速率同为5M bps,且干扰和信号的伪码序列之间互相关最大,由于每个信号码占时3.8 s,即以19个伪码扩谱,因此,采用相关干扰时,其有效压制系数k j 4,则在PLRS接收端,干扰功率为信号功率4倍时,可实现有效干扰;另外,PLRS在8个频道跳频,则有效实施拦阻式干扰,干扰功率应为信号功率的8倍,考虑到直扩和跳频相结合,则干扰功率应为信号功率的32倍。