Можливості зашумлення радіоканалу підриву вибухового пристрою в умовах суттєвої апріорної невизначеності щодо параметрів сигналу його управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНДІ МВС України

TOB “Колд Скай Технолоджис”

МОЖЛИВОСТІ ЗАШУМЛЕННЯ РАДІОКАНАЛУ ПІДРИВУ ВИБУХОВОГО ПРИСТРОЮ В УМОВАХ СУТТЄВОЇ АПРІОРНОЇ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ ЩОДО ПАРАМЕТРІВ СИГНАЛУ ЙОГО УПРАВЛІННЯ

Кульбачний Дмитро Вадимович, директор

Євграфов Дмитро Вікторович, провідний науковий співробітник

Білогуров Володимир Андрійович, старший науковий співробітник

м. Київ

Анотація

радіоканал вибуховий пристрій сигнал

Розглянуто радіоканал управління вибуховим пристроєм, сигнали якого мають суттєву апріорну невизначеність щодо багатьох параметрів. Оцінені можливості сигналів управління підривом: від простих вузькосмугових і демонстративних до складномодульованих і таких, що дозволяють керувати підривом приховано. Припущено, що унеможливленням підриву в умовах великої невизначеності щодо параметрів сигналу управління залишається придушення його шумовою завадою або шумоподібним сигналом. Обґрунтовано вирази, за якими можна розрахувати імовірність хибного підриву за час підготовки до подання сигналу на підрив та імовірність пропуску сигналу на підрив за час його подачі виконавцем злочинного задуму. Залежно від задуму злочину, обґрунтовані показники якості радіоканалу управління підривом і пов'язані з ними типи сигналів управління. Обґрунтовані потужності шумового генератора для вдалого придушення радіоканалу управління вибуховим пристроєм.

Ключові слова: шумова завада, шумоподібний сигнал, розподілення абсолютного диференційованого максимуму у середньоквадратичному процесі, прицільна за напрямком завада, спектральна густина потужності шумової завади, потужність шумового генератора.

Аннотация

Рассмотрен радиоканал управления взрывным устройством, сигналы которого имеют существенную априорную неопределенность относительно многих параметров. Оценены возможности сигналов управления подрывом: от простых узкополосных и демонстративных до сложномодулируемых и таких, которые позволяют управлять подрывом скрытно. Допущено, что невозможностью подрыва в условиях значительной неопределенности параметров сигнала управления остается подавление его шумовой помехой или шумоподобным сигналом. Обоснованы выражения, по которым можно рассчитать вероятность ложного подрыва за время подготовки к подаче сигнала на подрыв и вероятность пропуска сигнала на подрыв за время его подачи исполнителем преступного замысла. В зависимости от замысла преступления обоснованы показатели качества радиоканала управления подрывом и связанные с ними сигналы управления. Обоснованы мощности шумового генератора для успешного подавления радиоканала управления взрывным устройством.

Ключевые слова: шумовая помеха, шумоподобный сигнал, распределение абсолютного дифференцируемого максимума в среднеквадратическом процессе, прицельная по направлению помеха, спектральная плотность мощности шумовой помехи, мощность шумового генератора.

Annotation

Kulbachnyi Dmytro, Director of “Cold Sky Technologies”, LLC, Kyiv, Ukraine,

Ievgrafov Dmytro, Leading Researcher of the State Research Institute MIA Ukraine, Kyiv, Ukraine

Bilohurov Volodymyr, Senior Staff Scientist of the State Research Institute MIA Ukraine, Kyiv, Ukraine

THE POSSIBILITY OF NOISE OF RADIO CHANNEL OF BLASTING AN EXPLOSIVE DEVICE UNDER CONDITIONS OF A PRIORY UNCERTAINTY REGARDING THE PARAMETERS OF ITS CONTROL SIGNAL

A radio channel for controlling an explosive device in the VHF wavelength range is considered. It is assumed that the location of the perpetrator of the criminal intent is unknown, and the control unit of the explosive device can use any signals to control the explosion: from simple narrowband and demonstrative to complexly modulated and allowing controlling the explosion in hidden way. It is so that preventing it from undermining under conditions of great uncertainty about the parameters of the control signal, especially when using complex modulated signals, suppresses its noise interference or noise signal. The value of the noise interference power gain for the noise interference antenna, for which the suppression of the blast radio channel will be guaranteed, is grounded. It is shown that in order to calculate a product, it is necessary to know the distribution of the absolute maximum of a random process in radio channels for the calculation of the probability of a false explosion during the preparation for signaling the explosion. An expression was found for the probability of missing a burst signal during its submission by the perpetrator, with the assumption that neighboring burst signals are independent. Depending on the intent of the crime, the requirements for the radio control of the explosion control and the associated types of control signals are substantiated. It has been proven that, in the case of demonstrative behavior by criminals, the reliability requirements for operating an explosive device will be much less stringent than in the case of concealed use of blasting radio channels. The power of the noise generator for successful suppression of the radio channel of the control of the explosive device is calculated and it is concluded that the noise interference is not appropriate in the uniform frequency spectrum. It is proved that the successful solution of the task is impossible without the knowledge of specific signals of explosion control.

Keywords: noise interference, noise-like signal, distribution of the absolute maximum of the differentiable in the mean square process, directional interference, spectral density of the noise power, noise generator power.

Постановка задачі

Розглянемо радіокерований підривний пристрій, який складається із передавача, що знаходиться в виконавця злочинного задуму, радіоканалу діапазону частот від f_H = 25 МГц до f_B = 6 ГГц та радіоприймача, що приймає сигнал виконавця і подає його на підривний пристрій (див. рис. 1).

Рис. 1 Радіокерований підривний пристрій

Нехай місцезнаходження виконавця злочинного задуму невідоме, а радіоприймач розташований у безпосередній близькості до підривного пристрою. Крім того, нехай місцезнаходження підривного пристрою можна передбачити або ми цілеспрямовано захищаємо об'єкт від підриву, якщо не впевнені в тому, що на нього не встановили підривний пристрій. У такому разі єдиним способом унеможливлення підриву залишається придушення сигналу управління прицільною за напрямом завадою у бік об'єкта захисту - передбаченого місця розташування радіоприймача вибухового пристрою.

Сигнал С (t ), який випромінюється передавачем на несній частоті f ₀, можна класифікувати за прихованістю: від сигналів з амплітудною модуляцією й великою потужністю випромінювання Р _п антенами з малим коефіцієнтом підсилення антени G _п, які є менш прихованими, до більш прихованих сигналів із частотною і фазовою модуляцією і далі - до найбільш прихованих складномодульованих сигналів, бази яких дорівнюють:

B = т ?f, (1)

т - тривалість сигналу підриву, A f - ефективна ширина спектра сигналу підриву, у якості котрих використовують фазоманіпульовані М-послідовностями або кодами Баркера сигнали, чи частотно модульовані сигнали.

Оскільки Af може бути будь-якою та обмежується лише можливостями оброблення сигналів сучасними цифровими технологіями, що визначають Af_mx - максимальну ефективну ширину спектра сигналу підриву, радіосигнал С (t ) має суттєву апріорну невизначеність щодо його параметрів. Фактично нам відомі лише границі несних частот сигналу від f_H + Af /2 до f - Af_max /2. Залишається невідомою як часова структура сигналу (разом з його моментом надходження на приймальний пристрій t₀ та тривалістю Т ), так і відповідний йому спектр.

У цьому випадку канал радіопідриву краще зашумлювати принаймні в діапазоні частот від f_H до f. Використання шумової завади або шумоподібного сигналу для придушення каналу радіопідриву обумовлено:

- незнанням структури сигналу управління підривом, а отже, і найбільш інформативних його частот, на яких би мало бути зосереджено деструктивну енергію, що зменшило б співвідношення сигнал/шум на виході лінійної частини радіоприймача вибухового пристрою;

- небажанням спровокувати підрив випадковим його збігом із сигналом управління підривом.

Розглядатимемо випадок, коли відстань від передавача шумової завади до радіоприймача вибухового пристрою завжди менша або співставна з відстанню від передавача виконавця до радіоприймача вибухового пристрою. У цьому випадку роботу радіоканалу підриву гарантовано блокується, якщо [1]

P, G, Af₃ - потужність, коефіцієнт підсилення антени та ширина смуги частот генератора зашумлення.

Не перейматимемся тут суто інженерними задачами спрямування шумової енергії у бік об'єкта захисту в великій смузі довжин хвиль від Х_н = 5 см до Х_е = 12 м. Вважатимемо цю задачу розв'язаною за допомогою підвищення потужності Р_з неспрямованих антен (штирова антена, G₃ « 2 ) для Х_в та можливістю зниження потужності більш спрямованих антен для h_H, для яких концентрація енергії випромінювання в куті розкриву, наприклад, у 60 градусів (у азимутальній і кутомісній площинах) дозволяє у G₃ = ~ 14,93 зменшити потужність випромінювання шумового сигналу.

Крім того, не розглядатимемо тут процеси входження генераторів шуму в робочі режими, які зазвичай потребують 3-4 секунди, або питання підтримання їх у “теплому” режимі на рівні 5-25 % від максимальної потужності для більш швидкого входження у робочий режим упродовж часового інтервалу до 0,25 с. Усе це необхідно буде розглянути згодом, коли остаточно визначимося з тактикою застосування зашумлювача радіоканалу підриву.

Мета роботи: обґрунтувати добуток P₃G₃ для гарантованого блокування радіоканалу підриву вибухового пристрою, що керується складномодульованими сигналами прихованого управління.

Розв'язання задачі

Оскільки підрив пристрою відбувається за допомогою радіоканалу з кінцевою ефективною шириною спектра Af, усі його випадкові процеси - диференційовані у середньоквадратичному [2], а якщо характеристики приймального тракту радіоприймача вибухового пристрою не змінюються у часі, його можна подати в вигляді рис. 2. Радіоприймач з будь-якою структурою складається з тракту перетворення вхідних сигналів і порогового пристрою. Підрив відбувається, коли процес З [і ) перевищує деякий поріг виялення h.

Рис. 2 Радіоприймач вибухового пристрою

Радіоканал управління вибуховим пристроєм має бути надійним з точки зору хибного підриву вибухівки, тобто забезпечувати її неспрацювання в разі ненадходження від виконавця злочинного задумусигналу підриву і забезпечувати гарантоване спрацювання - у разі отримання цього сигналу. Нехай a (h,t_nwr ) - імовірність хибного підриву вибухівки за час підготовки об'єкта до підриву і_підг, а Я(h,i ) - імовірність пропуску команди на її підрив в разі надходження протягом деякого часу t сигналу від виконавця злочинного задуму.

Імовірність хибного підриву вибухівки можна подати у вигляді [3]:

де a (h,°) та y ( h) - деякі функції порогу, що залежать від характеристик тракту перетворення вхідних сигналів. На рис. 3 подані розрахунки за виразом (3) для a (h,°) = 7 * 1°^-3 та a (h,0) = 9 -10~⁵ і фіксованого значення у {h) = 10~⁵. Функції a (h,0) завжди монотонно згасають зі зростанням h.

Вибір порогу h для радіоканалу підривного пристрою і відповідного йому a (h,0) залежить від задуму терористичного акту. Якщо злочинці прагнуть посіяти страх і паніку у населення, вочевидь, будуть обрані місця загального і масового скупчення людей зі швидкою реалізацією (підготовкою) злочинного задуму, коли час від моменту закладення вибухівки до моменту її підриву - і. складатиме декілька хвилин. У цьому випадку злочинці не перейматимуться через необхідність забезпечити малі a (h,0): головне, щоб вибух не відбувся під час закладання і активізації пристрою, виходу виконавців із небезпечної зони дії факторів вибуху та зайвої уваги правоохоронних органів до місця вибуху.

Рис. 3 Імовірність хибного підриву вибухівки

Вочевидь, запобігти терористичному акту в місцях загального і масового скупчення людей шляхом зашумлення радіоканалу підриву можна лише в разі візуального спостереження за виконавцем злочинного задуму і встановлення факту закладення ним вибухового пристрою. При цьому мети досягають лише в випадку, коли сигнал керування не настільки простий, щоб пороговий пристрій спрацював від шумового сигналу, а для протидії вибуху антени генератора шуму спрямовуються на місце закладення, і після оперативних заходів із визначення членів злочинного угруповання та їх затримки вибухівку знешкоджують.

Інша річ, коли метою злочинного угруповання є знищення конкретного об'єкта: високопосадовця, бізнесмена або людини, убивство якої призведе до бажаного негативного резонансу в суспільстві. У цьому випадку підготовка терористичного акту потребує більших зусиль, а імовірність a (h,0) має наближатися до нуля, оскільки час ї_шдг може вимірюватися годинами і навіть десятками годин.

Як бачимо, для досягнення бажано низького рівня хибного підриву вибухового пристрою, наприклад, у a {h,t_mw ) = 10~² (пунктирна лінія на рис. 3), у першому випадку для t_mАM = 300 с. _ a(h,0) = 7-10~³, а для ї_підг = 1000 c. _ a(h,0) = 9-10~⁵ Отже, для однакових за якістю трактів перетворення вхідних сигналів радіоприймача вибухового пристрою поріг спрацювання у разі вибіркового знищення об'єкта має бути вищим.

Оскільки 1-Я (h,t ) - імовірність спрацювання вибухового пристрою за час дії сигналу підриву t на радіоприймач вибухового пристрою надійде N = t|ф сигналів на підрив, а радіоканал з імовірністю підриву за час Т _ 1-Я (h, т ) забезпечує підрив за час t з імовірністю

якщо вважатиме спроби підриву незалежними подіями.

Залежність, розраховану відповідно до (4) для т = 0,1; 0,2; 0,3 _с і 1-Я (h, т) = 0,5, подано на рис. 4.

0,5 1 1,5 t, с

Рис. 4 Імовірність спрацювання вибухового пристрою

Пунктирною лінією на рис. 4 подано ймовірність спрацювання вибухового пристрою, що дорівнює 0,9. Як бачимо, для більш прихованих сигналів управління, для яких з метою досягнення фіксованої імовірності підриву 1-Я (h, т) необхідні більш тривалі т, зловмисникові знадобиться більший час t на утримання кнопки підриву.

Для розрахунків відповідно до виразу (2)

а коефіцієнти підсилення антен передавача лежать в межах від G_n « 2 для простих і неспрямованих антен до G_n = 10^ 30 - для прихованого дистанційного управління підривом, залежно від несної частоти f. При цьому потужності передавачів, які застосовують зловмисники, лежать у межах від P_п= 200 мВт до Р_п = 1 Вт.

Можливості сучасних CDR- технологій дозволяють обробляти сигнали для 4/тах = 2,85 ГГц [4], що менше від розрахованого відповідно до (5). Проте генерування сигналів С (t) в смузі Af_max - невиправдане. Навіть застосування сигналів з у радіоканалах, хоча й дає можливість повністю приховати сам факт передавання виконавцем сигналу підриву, коштує невиправдано дорого. У цьому випадку для найгірших з точки зору придушення параметрів, коли: Р_п = 1 Вт, G_n = 30, з урахуванням (5), розрахунок відповідно до (2) дозволяє отримати значення шуканого добутку при використанні складномодульованих сигналів з максимально можливою базою:

Отже, для спрямованості антен шумового генератора G₃ = 14,93 потужність випромінювання має бути не меншою за Р_з = 60 Вт, а оскільки при цьому споживна потужність у сотні-тисячі разів більша, залишається неефективним використання широкосмугової шумової завади.

Подальші дослідження необхідно здійснювати за напрямом обґрунтування розрахункових виразів для функцій у (h), які разом з a (h,0) залежать від характеристик тракту перетворення вхідних сигналів. Крім того, дуже цікавим є дослідження згаданих функцій залежно від конкретних інженерних розв'язків радіоприймачів вибухового пристрою.

Проаналізоване вище дає можливість дійти низки висновків.

1. Придушення радіоканалу підриву вибухового пристрою шумовою завадою є недоцільним у зв'язку з великими споживними потужностями генераторів шуму. Бажано детальніше дослідити сигнали керування підривом з використанням відомих загальнодоступних пристроїв широкого вжитку та обґрунтувати шумоподібні сигнали, які ефективно їх придушуватимуть.

2. Дослідження параметрів трактів перетворення вхідних сигналів радіоприймачів вибухових пристроїв залежить від конкретних інженерних рішень з використанням сучасних цифрових технологій.

Список використаних джерел

1. Конахович Г.Ф., Климук В.П., Паук С.М. и др. Защита информации в телекоммуникационных системах. К.: “МК-Пресс”, 2005. 288 с., ил.

2. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989. 656 с.

3. Евграфов Д.В. Асимптотически оптимальный последетекторный обнаружитель слабых сигналов неизвестной длительности. Радиоелектроника. 2004. № 12. С. 36-39 (Изв. высш. учеб. заведений).

4. UM023 FMC230. FMC230: User Manual; Technical Report; 4DSP: Austin, TX, USA, 2015.

References

1. Ievhrafov, D.V. (2014) Fizychni osnovy zakhystu informatsiyi v radioelektronniy aparaturi. “Physical Bases of Information Protection in Electronic Equipment”: textbook. K.: NTUU “KPI”. 176 p. [in Ukrainian].

2. Levin, B.R. (1989) Teoreticheskiye osnovy statisticheskoy radiotekhniki. “Theoretical Foundations of Statistical Radio Engineering”. M.: Radio and Communications. 656 p. [in Russian].

3. Ievgrafov, D.V. (2004) Asimptoticheski optimal'nyy posledetektornyy obnaruzhitel' slabykh signalov neizvestnoy dlitel'nosti. “Asymptotically Optimal Post-Detector of Weak Signals of Unknown Duration”. Radioelectronics 12, 36-39 [in Russian].

4. UM023 FMC230. FMC230: User Manual; Technical Report; 4DSP: Austin, TX, USA, 2015 [in English].

Размещено на Allbest.ru