Giải pháp thiết kế hệ thống và xác định công suất gây nhiễu hiệu quả cho thiết bị chế áp UAV Orbiter-2

Bài viết đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống và tính toán xác định công suất chế áp hiệu quả cho thiết bị gây nhiễu đối với kênh truyền dữ liệu downlink các hệ thống mini UAV. Việc thiết kế hệ thống và xác định công suất gây nhiễu hiệu quả cho thiết bị chế áp được phân tích, đánh giá trong mối quan hệ chặt chẽ với các tham số đặc trưng của một hệ thống mini UAV điển hình (UAV Orbiter-2) bao gồm dải tần làm việc, băng thông, công suất phát kênh downlink của UAV, cự li hoạt động và địa hình thực tế triển khai thử nghiệm thiết bị gây nhiễu.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT GÂY NHIỄU HIỆU QUẢ CHO THIẾT BỊ CHẾ ÁP UAV ORBITER-2 Trần Đình Lâm1*, Trần Việt Hải1, Cao Văn Thắng2, Hồng Văn Phương3 Tóm tắt: Bài báo đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống tính tốn xác định cơng suất chế áp hiệu cho thiết bị gây nhiễu kênh truyền liệu downlink hệ thống mini UAV Việc thiết kế hệ thống xác định công suất gây nhiễu hiệu cho thiết bị chế áp phân tích, đánh giá mối quan hệ chặt chẽ với tham số đặc trưng hệ thống mini UAV điển hình (UAV Orbiter-2) bao gồm dải tần làm việc, băng thông, công suất phát kênh downlink UAV, cự li hoạt động địa hình thực tế triển khai thử nghiệm thiết bị gây nhiễu Việc xác định công suất gây nhiễu hiệu cho thiết bị kiểm chứng phần mềm mô RF chun dụng Phương pháp tính tốn xác định kiểm chứng kết bước quan trọng ban đầu quy trình thiết kế, chế tạo thiết bị chế áp hệ thống mini UAV Từ khóa: Chế áp UAV; Giải pháp thiết kế hệ thống; Công suất gây nhiễu hiệu ĐẶT VẤN ĐỀ Mini MUAV hệ thống thiết bị bay không người lái UAS (Unmanned Aerial System) nhiều nước có khoa học tiên tiến nghiên cứu, chế tạo làm phương tiện quan sát, thu thập thị mục tiêu phục vụ cho mục đích an ninh, quốc phòng Cấu trúc hệ thống UAS bao gồm mini UAV trạm điều khiển, thu thập liệu mặt đất GCS (Ground Control Station) Cấu trúc tổng quát hệ thống UAS minh họa hình [4] Down-link Up-link Hình Cấu hình hệ thống UAS MUAV [4] Xây dựng giải pháp chế áp loại mini UAV có ý nghĩa quan trọng việc hồn thiện giải pháp tác chiến điện tử đối phó với số loại UAV đối phương chiến tranh đại Đồng thời, qua đánh giá khả chống nhiễu UAV, làm sở đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm bảo vệ loại UAV khỏi tác chiến điện tử đối phương Việc nghiên cứu, xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống thiết bị, đó, xác định đặc tính nhiễu, phổ nhiễu, cơng suất thiết bị gây nhiễu tham số quan trọng định tới hiệu gây nhiễu lên hệ thống UAV Trên sở phân tích đánh giá giải pháp thiết kế thiết bị gây nhiễu vô tuyến, báo đề xuất giải pháp thiết kế thiết bị gây nhiễu phù 96 T Đ Lâm, …, H V Phương, “Giải pháp thiết kế hệ thống … chế áp UAV Orbiter-2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hợp với hệ thống mini UAV Bố cục báo sau: Đánh giá, lựa chọn giải pháp thiết kế thiết bị gây nhiễu trình bày mục Mục tiến hành tính tốn, mơ tham số thiết bị Mục đánh giá hiệu gây nhiễu, kết luận đề xuất hướng phát triển CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình kênh truyền downlink hệ thống mini MUAV Hệ thống MUAV với chức trinh sát, thị tọa độ, hình ảnh mục tiêu, có đặc điểm kết nối vô tuyến bao gồm kênh liên lạc đường lên (Up-link) đường xuống (Downlink) mô tả hình From PGCS Ommi (UHF) Airborne Antenna Command UHF Receiver Command UMAS Up-link Telemetry To PGCS Ommi (S) Airborne Antenna Video &Telemetry S-Band Transmitter Downlink Video Payload Hình Sơ đồ khối chức kết nối vô tuyến hệ thống MUAV Orbiter-2 Kênh downlink thực kết nối vô tuyến để truyền thông tin trạng thái máy bay (tốc độ, tọa độ, thơng số khí động học…) tọa độ, hình ảnh mục tiêu mà camera quan sát, thu thập trạm mặt đất Trên sở đó, trạm mặt đất tiến hành điều khiển máy bay cung cấp thông tin, liệu mục tiêu cho hệ thống hỏa lực kết nối với Đặc điểm kênh truyền UAV Orbiter-2 thường hoạt động dải tần – GHz, truyền tín hiệu điều chế số FSK tốc độ Mbits/s trở lên, nhảy tần dải phổ có độ rộng 100 MHz quanh tần số trung tâm, thông lượng tốc độ liệu truyền xuống lớn liên tục [4] Với đặc trưng tín hiệu phổ tần vậy, phương pháp gây nhiễu đề xuất cho thiết bị nhiễu trượt (với độ rộng phổ 100 MHz) ngẫu nhiên quanh tần số trung tâm 2.2 Xây dựng giải pháp hệ thống cho thiết bị gây nhiễu Một số giải pháp hệ thống cho phương pháp gây nhiễu trượt điều tần hỗn loạn quanh tần số trung tâm với độ rộng phổ ≥ 100 MHz sau: Hình Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu mobile phone [8] [8] đề xuất giải pháp thiết kế nhiễu kết hợp với sóng mang cao tần RF trước khuếch đại công suất phát xạ qua anten mơ tả hình Giải pháp sử dụng phương pháp điều chế nhiễu trực tiếp vào sóng mang trước thực khuếch đại công suất để đưa anten Khó khăn giải pháp nằm khối tạo nhiễu yêu cầu độ rộng phổ nhiễu lên tới 100 MHz, có tính ngẫu nhiên cao trước kết hợp với sóng mang để phát xạ khơng gian Có thể sử dụng cơng nghệ tương tự công nghệ số để tạo nguồn nhiễu Trong công nghệ tương tự thực thi đơn giản Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 97 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử độ tin cậy, xác độ linh động khơng cao cơng nghệ số (FPGA, DSP …) lại yêu cầu hệ thống hoạt động tần số clock cao, cần phải thiết kế lọc số tiêu tốn tài nguyên Trong [1] [3] đề xuất giải pháp tạo nhiễu trực tiếp từ phần tử dao động sóng mang thiết bị gây nhiễu Đây giải pháp phổ biến sử dụng gây nhiễu băng tần cố định di động, GPS, 3G Bluetooth minh họa hình Hình Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu mobile phone, bluetooth [3] Giải pháp đơn giản cho việc thực thi phần cứng công nghệ analog áp dụng cho hầu hết cá phần tử phần tử tạo nhiễu trắng, tạo xung cưa, mạch kết hợp VCO Tuy nhiên, giải pháp áp dụng tốt tần số băng thông gây nhiễu cố định, không thay đổi hoạt động Do đó, yêu cầu thiết bị có khả thay đổi tần số, băng thơng gây nhiễu dải rộng 2-3 GHz hệ thống Orbiter-2 giải pháp có nhiều khó khăn khả điều chỉnh mạch điều khiển VCO tới giá trị xác định độ rộng băng thơng gây nhiễu mong muốn Vì vậy, báo đề xuất giải pháp áp dụng công nghệ số thực thi phần tạo tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên mạch điều hưởng tần số trung tâm cho hệ thống thiết bị gây nhiễu theo mơ hình sơ đồ khối [1] [3] đề xuất Khi đó, giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng cho thiết bị gây nhiễu đề xuất minh họa hình Hình Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu MUAV - Miền số (digital) thực thi công nghệ FPGA thực chức Module điều khiển thiết lập tần số trung tâm VCO thực tính tốn đưa giá trị đầu DAC hợp lí để sau khuếch đại tầng KĐ giá trị điện áp DC tương ứng với giá trị tần số trung tâm VCO theo mong muốn Module tạo xung cưa cho phép tạo xung cưa có biên độ, tần số tương thích với tốc độ nhảy tần độ rộng băng thơng tín hiệu mong muốn đầu VCO Module tạo nhiễu ngẫu nhiên thực tạo tín hiệu nhiễu trắng để kết hợp với tín hiệu cưa thực ngẫu nhiên hóa quy luật nhảy tần phạm vi băng thông VCO - Miền Analog & RF thực chức tạo tín hiệu cao tần nhiễu trượt ngẫu nhiên xung quanh tần số trung tâm băng thông mong muốn VCO khuếch đại lên công suất mong muốn khối KĐCS trước phát xạ không gian thông qua anten Với giải pháp thiết kế công nghệ áp dụng đề xuất, hệ thống khắc phục nhược điểm [1] [3] cho phép linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh tần số 98 T Đ Lâm, …, H V Phương, “Giải pháp thiết kế hệ thống … chế áp UAV Orbiter-2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ băng thông gây nhiễu mong muốn thay đổi tốc độ nhảy tần phù hợp với ứng dụng khác Thực giải pháp FPGA cho phép thay đổi tham số hệ thống cách linh hoạt, thuận tiện việc cải tiến mở rộng thiết kế cho phù hợp với ứng dụng khác 2.3 Xác định công suất gây nhiễu hiệu hệ thống MUAV Thiết bị phát kênh downlink UAV có cơng suất 2,5W dùng anten Ommi có độ lợi dBi, cự ly hoạt động khoảng 30 Km [4], nhiên, với thực tế triển khai bay hệ thống thường tiến hành phạm vi km tầm nhìn thẳng, trần bay tối đa 500m Hình Mối quan hệ BER J/S truyền thông tin số [2] Đối với hệ thống thông tin số MUAV, chất lượng thông tin đánh giá tham số tỷ lệ lỗi bít BER (Bit Error Rate), đó, hiệu gây nhiễu thiết bị lên hệ thống đánh giá thông qua BER Theo [1, 2], hệ thống thông tin số cho bị ảnh hưởng chế áp khôi phục thông tin BER > 33% Để đạt BER > 33% tỷ lệ công suất nhiễu (PJ) so với công suất tín hiệu (PS) đầu thu trạm mặt đất 0dB (PJ = PS) minh họa hình [2] Như vậy, toán đặt với hệ thống MUAV Orbiter-2 có cơng suất cự li hoạt động định, với cự li gây nhiễu cho phép ta cần tính tốn cơng suất phát cho thiết bị gây nhiễu để gây nhiễu cách hiệu Với việc tính tốn để áp dụng cho điều kiện thử nghiệm thực tế UAV hoạt động cự li 3000m, trần bay tối đa 500m khoảng cách gây nhiễu áp dụng cho tốn coi xấp xỉ cự li hoạt động UAV (3000 m) Công suất phát cự li hoạt động UAV tham số làm sở để tính tốn tham số cơng suất cự li gây nhiễu hiệu thiết bị theo lí thuyết chế áp điện tử sau [1, 2, 7, 9, 10]: Tỷ số cơng suất tín hiệu kênh downlink từ UAV công suất nhiễu chế áp đầu thu anten trạm mặt đất (tính theo dB) xác định theo công thức (1) [2] ⁄ = − − + + − (1) Trong đó: - J cơng suất nhiễu đầu thu anten trạm mặt đất; - S cơng suất tín hiệu kênh downlink đầu thu anten trạm mặt đất; - ERPJ công suất phát xạ hiệu dụng thiết bị chế áp; - ERPS công suất phát xạ hiệu dụng UAV; - LOSSJ suy hao không gian theo cự li nhiễu chế áp; - LOSSS suy hao không gian theo cự li tín hiệu phát từ UAV; - GRJ độ lợi anten thu trạm mặt đất hướng tín hiệu tới từ thiết bị chế áp; - GR độ lợi anten thu trạm mặt đất hướng tín hiệu tới từ UAV Vì GCS dùng anten vơ hướng để thu tín hiệu kênh truyền downlink nên độ lợi nguồn tín hiệu từ hướng nhau, đó, cơng thức (1) GRJ = Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 99 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử GR Các đại lượng suy hao kênh truyền (LOSSJ LOSSS) địa hình thử nghiệm xác định đồi núi độ cao trung bình, mật độ cối che khuất vừa phải (Địa hình thực tế triển khai thử nghiệm) xác định theo công thức tổng quát (2) [11, 12] = + 10g + + + (2) Trong (2), f tần số tính theo MHz, d khoảng cách từ thiết bị phát tới anten thu tính theo mét, d0 = 100 m Xf Xh hệ số hiệu chỉnh suy hao theo tần số độ cao anten thu Còn tham số s hệ số suy hao ảnh hưởng vật cản phạm vi tuyền sóng (chủ yếu cối) có giá trị khoảng 8,2 ÷ 10,6 dB Ở đây, UAV hoạt động độ cao 500m nên coi không bị ảnh hưởng tham số s Các tham số (2) xác định sau [11]: = 20 (3) = − ℎ + (4) Áp dụng (2) để tính suy hao đường truyền tín hiệu phát từ UAV từ thiết bị gây nhiễu tới trạm GCS hệ thống UAV sau: = + 10g = + + 10g + + (5) + + (6) Trong (5) (6), dUAV djammer cự li truyền sóng tầm nhìn thẳng từ UAV máy phát nhiễu trạm GCS Cũng theo [11], tham số g xác định địa hình đối núi tương đối phẳng, mật độ cối vừa phải nên tham số a = 3,6; b = 0,005 c = 20 áp dụng cho công thức (4) Khi đó, g = 5,55 Để xác định mối quan hệ cự li công suất gây nhiễu hiệu ta tính cho trường hợp suy hao lớn ảnh hưởng địa hình lên kênh gây nhiễu, tức tính tốn cho trường hợp tham số s lớn 10,6 dB Như xác định, công suất phát UAV 2,5 Watt với anten có độ lợi dBi, vậy, cơng suất phát xạ hiệu UAV ERPS = 36 dBm với cự li hoạt động 3000 m Áp dụng tất kết luận vào công thức (1) ta xác định mối quan hệ: ⁄ = − 55,5 log ⁄ = − 55,5log ( − 36 + 55,5 30 − 10,6 ) + 146,4 (7) Như kết luận trên, để gây nhiễu hiệu hệ thống tỷ lệ lỗi bít BER ≥ 33%, kéo theo tỷ số J/S (7) phải đạt tối thiểu dB Vì vậy, ta xác định mối quan hệ công suất cự li gây nhiễu hiệu thiết bị gây nhiễu hệ thống UAV biểu diễn công thức sau − 55,5log ( ) + 146,4 = (8) đó, ERPJ tính theo dBm, djammer tính theo mét MÔ PHỎNG HỆ THỐNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Mục tiến hành mô đánh giá độ tin cậy mối quan hệ cự li công suất gây nhiễu thiết bị gây nhiễu hiệu gây nhiễu lên hệ thống MUAV thông qua tham số BER phép mơ Mơ hình mơ xây dựng phần mềm SystemVue hãng Keysight Technologies, phần mềm chuyên dụng cho mô thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến Mô hình mơ kênh downlink UAV tác động nhiễu mơi trường truyền sóng mơ tả hình 100 T Đ Lâm, …, H V Phương, “Giải pháp thiết kế hệ thống … chế áp UAV Orbiter-2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Modulate & Transmit Noise & Channel Receive & Demodulate Ta ps Im 11010 ••• ••• ••• ••• Freq Ph ase Q QUAD OUT Mod Re MAPPER B1 Amplifier C1 Noise Density Channel Ou t Freq Ph ase Q DeMod DEMAPPER Im I Re Amp ••• • • • No de ••• ••• Bi ts OUT Amp C3 {CommsChannel@Data Flow Models} A2 M1 A1 D1 FCarrier=2400MHz M2 FCarrier=2400MHz R1 D2 TEST REF B2 {BER_FER@Data Flow Models} Compare Input vs Output for BER curves synchronize the BER reference Hình Mơ hình kênh thơng tin downlink tác động nhiễu kênh truyền Kết mô dùng để đánh giá độ tin cậy biểu thức (8) đảm bảo điều kiện tỷ số J/S = dB đầu thu trạm mặt đất (tức tỷ lệ lỗi bít BER  0,33) thay đổi công suất theo cự li gây nhiễu tương ứng, tức biểu thức (8) hai tham số ERPJ djammer biến thiên Từ công thức (8) ta thiết lập tham số đầu vào mô ERPJ djammer (ký hiệu Pi Di , i = 1÷ 4) bảng Bảng Bộ tham số công suất phát, cự li gây nhiễu mô tham số BER ERPJ (dBm) 20,1 (P1) 36,8 (P2) 46,6 (P3) 55,5 (P4) djammer (m) 1000 (D1) 2000 (D2) 3000 (D3) 4000 (D4) Trong phép mô phỏng, tham số công suất phát nhiễu thay đổi 10 dB xung quanh giá trị danh định, đảm bảo tỷ số J/S (SNR đầu vào) thay đổi dải (-5 ÷ 5) dB để đánh giá tham số BER đầu trạm thu Vì vậy, đồ thị kết mô thể mối quan hệ BER SNR công suất phát nhiễu thay đổi Hay nói cách khác phụ thuộc BER vào cơng suất phát nhiễu Hình BER cho tham số P1, D1 Hình BER cho tham số P2, D2 Hình 10 BER cho tham số P1, D1 Hình 11 BER cho tham số P2, D2 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 101 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0.42 0.4 0.38 0.36 0.34 0.32 0.3 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 P1vsD P2vsD P3vsD -6 -4 -2 Hình 12 BER cho tất tham số Pi Di , i = 1÷4 KẾT LUẬN Các kết mơ minh họa hình 8÷12 cho thấy với tham số công suất phát nhiễu Pi cự li gây nhiễu Di đảm bảo tỷ số J/S (hay SNR) đầu thu dB (J = S) tham số BER dao động khoảng 0.305 ÷ 0.318, giá trị đảm bảo gây nhiễu cho hệ thống khơng có khả hồi phục Như mặt thiết kế, cách cải tiến kỹ thuật áp dụng công nghệ số đề xuất giải pháp thiết kế phần cứng để thực thi giải pháp gây nhiễu hệ thống UAV Orbiter-2 hoạt động dải tần băng thơng rộng Ngồi ra, giải pháp đề xuất có tính linh hoạt mềm dẻo việc thay đổi thông số, cải tiến nâng cấp cách dễ dàng cho ứng dụng khác Việc tính tốn, mơ đánh giá kết tham số công suất gây nhiễu hiệu với cự li gây nhiễu khác có ý nghĩa quan trọng việc lựa chọn phần cứng phù hợp với yêu cầu đặt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 102 D.S Madara et al, “Design and Testing of a Mobile-Phone-Jammer,” Innovative Systems Design and Engineering, ISSN 2222-1727, Vol.7, No.7, 2016 David L Adamy, “EW Against a New Generation of Threats,” Artech house, 685 Canton Street Norwood, MA 02062, ISBN 13: 978-1-60807-869-1, 2015 A S.H Abdul-Rahman, “Dual Band Mobile Jammer for GSM 900 & GSM 1800,” Faculty of Engineering Department of Electrical Engineering, JUST AERONAUTICS, “Orbiter 2-description and operation manual,” Oct 2011 Calculation of free-space attenuation, Recommendation ITU-R P.525-3, Sep 2016 Y S Almashhadani, “BER Performance of M-ary FSK Modulation over AWGN and Rayleigh Fading Channels,” Journal of Babylon University/Engineering Sciences/ No.(4)/ Vol.(25): 2017 Janette D Hooper, “Communication Electronic Countermeasures: An overview”, Defense Research Establichment Ottawa, Canada, Dec 1990 Adil H M Aldlawie & Ghassan A QasMarrogy, “Performance evaluation of the effect of noise power jammer on the mobile bluetooth network”, International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC) Vol.6, No.5, September T Đ Lâm, …, H V Phương, “Giải pháp thiết kế hệ thống … chế áp UAV Orbiter-2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2014 Narciso A Vingson, Jr Vaqar Muhammad, “Model to calculate the effectiveness of an airborne jammer on analog communications,” Naval postgraduate school, Sep 2005 [10] Jaber A Kakar, “UAV Communications: Spectral Requirements, MAV and SUAV Channel Modeling, OFDM Waveform Parameters, Performance and Spectrum Management,” Virginia Polytechnic Institute and State University, May 2015 [11] S Dinesh et al, “A Survey on Path Loss Models Used In Wireless Communication System Design,” International Journal of Recent Trends in Engineering and Technology, Vol 3, No 2, May 2010 [12] Sachin S Kale, A.N Jadhav, “An Empirically Based Path Loss Models for LTE Advanced Network and Modeling for 4G Wireless Systems at 2.4 GHz, 2.6 GHz and 3.5 GHz,” IJAIEM 2013 [9] ABSTRACT SYSTEM DESIGN SOLUTION AND EFECTIVE POWER DETERMINATION FOR UAV ORBITER-2 JAMMING EQUIPMENT In the paper, a system design solution is proposed and the effective power of jamming equipment that is targeted to interfere the downlink channel of mini UAV systems is determined System design and effective power determination for the jammer is analyzed in close relation to the unique parameters of mini UAV system, e.g MUAV Orbiter-2, such as working frequency range, bandwidth, downlink power, operational range and terrain that actually deployed equipment Determination of effective jamming power for the equipment is verified by dedicated RF emulation software This method of determining and verifying the result is an important initial step in a process of designing and manufacturing a mini UAV jamming transmitter Keywords: UAV jamming; System design solution; Effective interfered power Nhận ngày 08 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 12 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; Khoa Tổ chức thông tin, Trường Sĩ quan Thơng tin; Học Viện Phòng khơng - Khơng qn * Email: lamtdvt@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 103 ... bảo gây nhiễu cho hệ thống khơng có khả hồi phục Như mặt thiết kế, cách cải tiến kỹ thuật áp dụng công nghệ số đề xuất giải pháp thiết kế phần cứng để thực thi giải pháp gây nhiễu hệ thống UAV Orbiter-2. .. thiết bị gây nhiễu theo mơ hình sơ đồ khối [1] [3] đề xuất Khi đó, giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng cho thiết bị gây nhiễu đề xuất minh họa hình Hình Sơ đồ khối thiết bị gây nhiễu MUAV -... học công nghệ hợp với hệ thống mini UAV Bố cục báo sau: Đánh giá, lựa chọn giải pháp thiết kế thiết bị gây nhiễu trình bày mục Mục tiến hành tính tốn, mơ tham số thiết bị Mục đánh giá hiệu gây nhiễu,