НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

Для службового користування

Прим.№

МАКСИМЕНКО Геннадій Олександрович

УДК 519.688:519.876.5:

621.391.26

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ВИЯВЛЕННЯ НЕБЕЗПЕЧНИХ СИГНАЛІВ РАДІОЗАКЛАДНИХ ПРИСТРОЇВ У ПРОГРАМНО-АПАРАТНИХ КОМПЛЕКСАХ РАДІОКОНТРОЛЯ

Спеціальність 05.13.21 – Системи захисту інформації

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

К и ї в – 2 0 0 0

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському військовому інституті управління і зв'язку Міністерства оборони.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент БОГДАНОВ

Олександр Михайлович, Київський військовий

інститут управління і зв'язку, начальник кафедри

№62.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук КУЦЕНКО Віктор Нестерович, генеральний директор Міжгалузевого науково-технічного комплексу “Імпульс”;

кандидат технічних наук ЧИРКОВ Дмитро Володимирович, Національний авіаційний університет, доцент кафедри засобів захисту інформації Інституту інформаційно-діагностичних систем.

Провідна установа – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ.

Захист відбудеться 28 грудня 2000 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.185.01 в ІПМЕ НАН України за адресою: 01680 МОД, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІПМЕ НАН України.

Автореферат розісланий 27 листопада 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Романцов В.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з найбільш поширених технічних засобів, які використовуються для несанкціонованого добування інформації, є різноманітні електронні пристрої перехоплення інформації або так звані радіозакладні пристрої, які використовують радіоканал як середовище передачі небезпечних сигналів. Основне місце їхнього застосування – внутрішні приміщення об'єктів та установ державного призначення. Виявлення та вилучення таких пристроїв являє собою окрему і досить складну задачу в системі заходів із захисту інформації.

Останніми роками розвиток систем знімання інформації (радіозакладних пристроїв – РЗП) йде у напрямку підвищення прихованості передачі отриманої інформації шляхом застосування в радіозакладних пристроях спеціальних сигнально-кодових конструкцій та скорочення часу, необхідного для передачі інформації. На даний час, найбільш досконалими та ефективними в приховуванні факту роботи є два типи радіозакладних пристроїв: які використовують шумоподібний сигнал (ШПС) та які використовують сигнал надкороткої передачі (НКП).

Для здійснення оперативно-технічних заходів по пошуку та виявленню РЗП використовується досить складна вимірювальна техніка, яка забезпечує не тільки точність вимірювань, але й автоматизацію цього процесу. Сучасні засоби здійснення таких заходів, як правило, створюються у вигляді програмно-апаратних комплексів радіоконтролю (ПАКР) і будуються на основі обчислювальних платформ та спеціального програмного забезпечення, яке базується на типових моделях виявлення радіозакладних пристроїв в типових умовах їх застосування. Далі, під моделлю виявлення розуміється сукупність математичного опису небезпечного сигналу та алгоритму його обробки в ПАКР.

Слід зазначити, що для РЗП, використовуючих прості типи сигналів (АМ,ЧМ, ФМ), завдання побудови моделей виявлення вже має досить точне і ефективне вирішення, але для радіозакладних пристроїв, які використовують шумоподібні сигнали та сигнали надкоротких передач, ще не розроблені відповідні моделі, які б дозволили здійснити їх якісне виявлення та автоматизувати сам процес обробки небезпечного сигналу.

Таким чином, з появою високотехнологічних пристроїв знімання інформації утворилось протиріччя. З одного боку, з'явились засоби створення технічних каналів витоку інформації, які використовують нові високоефективні методи приховування інформації, що передається. З іншого боку – існуючі штатні технічні засоби та комплекси пошуку радіозакладних пристроїв, які використовують кореляційну та енергетичну моделі виявлення, не можуть з прийнятною вірогідністю виявляти роботу закладних пристроїв, працюючих шумоподібними сигналами або сигналами надкоротких передач.

Вирішення існуючого протиріччя між істотно підвищеною прихованістю радіосигналів закладних пристроїв і зрослими вимогами до якості виявлення цих сигналів програмно-апаратними комплексами радіоконтролю складає зміст важливого науково-прикладного завдання, а розробка і дослідження шляхів та методів його розв'язання визначає ціль і зміст даної дисертаційної роботи.

Таким чином, у дисертації вирішується важливе науково-прикладне військово-технічне завдання - розробка нових моделей виявлення небезпечних сигналів радіозакладних пристроїв, що використовують для передачі сигнали НКП та ШПС, з метою підвищення ефективності програмно-апаратних комплексів радіоконтролю спеціального призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках планових науково-дослідних робіт “Регент” та “Сяйво”, що проводились науково-дослідним центром “ТЕЗІС” НТУУ “КПІ”, а також ДКР “Кобра”, яка здійснювалась Центральним науково-конструкторським бюро обчислювальної техніки Держкомпромполітики України. Крім того, результати дисертаційної роботи використані при виконанні НДР “Акведук” і “Осьминог” Науковим Центром управління, зв'язку, розвідки та РЕБ МО України.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в підвищенні ефективності програмно-апаратних комплексів радіоконтролю при виявленні радіозакладних пристроїв, які використовують шумоподібні сигнали та сигнали надкоротких передач.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі ставилися і вирішувались наступні задачі:

1. Аналіз процесів, що відбуваються на вході комплекса радіоконтролю в умовах індустріального міста або в приміщеннях різного типу. Розробка загальної моделі вхідного впливу суміші сигнала та шуму на тракт прийому радіовиявлювача.

2. Розробка моделі виявлення небезпечних сигналів РЗП, працюючих в режимі НКП. Математичний опис та аналіз сигнально-кодових конструкцій випромінюваних сигналів радіозакладних пристроїв, працюючих у режимі прискореної передачі і створення алгоритму їх виявлення.

3. Розробка моделі виявлення небезпечних шумоподібних сигналів РЗП. Аналіз статистичних особливостей спектрів шумоподібних сигналів, розподілу їх порядкових статистик і на цій основі побудова алгоритму виявлення цих сигналів на принципах інваріантного і нелінійного перетворення вхідних даних.

4. Створення, на основі проведених досліджень, моделі функціонування програмно-апаратного комплекса радіоконтролю при виявленні радіозакладних пристроїв, які використовують для передачі шумоподібні сигнали та сигнали надкоротких передач, в умовах індустріального міста.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є програмно-апаратні комплекси виявлення сигналів радіозакладних пристроїв, які є складовою частиною системи захисту інформації на об'єкті.

Предметом дослідження є моделі небезпечних сигналів НКП та ШПС радіозакладних пристроїв, а також алгоритми їх виявлення програмно-апаратними комплексами радіоконтроля.

Основними показниками ефективності ПАКР у дисертації прийняті: ймовірність правильного виявлення сигналу та ймовірність помилкових тривог при заданому відношенні сигнал/шум; середній час виявлення шумоподібних сигналів та сигналів надкоротких передач; дальність виявлення джерел шумоподібних сигналів та надкоротких передач.

Таким чином, головна задача, яка визначається метою досліджень, полягає в створенні нових моделей виявлення небезпечних сигналів для покращення тактико-технічних показників перспективних комплексів виявлення радіозакладних пристроїв.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримав розвиток науковий напрямок, пов'язаний із створенням моделей виявлення небезпечних сигналів в системах захисту інформації від витоку технічними каналами. В рамках цього наукового напрямку отримано наступні нові результати.

1. Розроблено модель виявлення небезпечного сигналу РЗП, працюючого в режимі надкоротких передач. На відміну від існуючих, модель уявляє надкоротку імпульсну передачу у вигляді суми двох пачок некогерентних імпульсів та враховує, при певних умовах, лінійність процесу обробки сигналів в логарифмічному детекторі, що дозволяє суттєво підвищити ефективність функціонування виявлювача небезпечних сигналів надкоротких передач.

2. Запропоновано модель виявлення небезпечного сигналу РЗП, який використовує шумоподібні сигнали. На відміну від відомих, модель заснована на новому описі спектру небезпечного шумоподібного сигналу та врахуванні розподілу порядкових статистик вибіркових значень сигналу і шуму. Модель дозволяє підвищити ефективність виявлення РЗП з шумоподібними сигналами.

3. Створена модель функціонування ПАКР при виявленні радіозакладних пристроїв, які використовують шумоподібні сигнали та сигнали надкоротких передач. У порівнянні з існуючими, модель використовує нові параметри, які враховують згасання радіохвиль при розповсюдженні в умовах міста, а також в окремих будівлях, що дозволяє отримати більш точні аналітичні співвідношення для розрахунків та побудови високоефективних засобів виявлення РЗП.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені моделі та обчислювальні алгоритми обробки небезпечних сигналів дозволяють істотно покращити основні тактико-технічні показники програмно-апаратних комплексів виявлення РЗП, а саме: підвищити ймовірність виявлення шумоподібних сигналів та ймовірність виявлення сигналів надкоротких передач, збільшити відстань впевненого виявлення сигналів і скоротити час пошуку сигналів. Крім того, розроблені моделі виявлення дають можливість значно зменшити ймовірність помилкових тривог та підвищити якість відбору шумоподібних сигналів та сигналів короткочасних передач для їх подальшої автоматизованої обробки в елементах ПАКР.

Використання моделі функціонування дозволяє скоротити час та кількість вхідних даних, необхідних для створення діючої моделі ПАКР, а також врахувати при моделюванні умови розповсюдження радіохвиль УКХ-діапазону в приміщеннях різних типів та в умовах міста.

Реалізація і впровадження результатів роботи здійснена в наступних організаціях: Науково-дослідному центрі “ТЕЗІС” НТУУ “КПІ” – акт від 24.02.2000 р., Центральному науково-конструкторському бюро обчислювальної техніки Держкомпромполітики України – акт від 20.10.2000 р., Науковому Центрі управління, зв'язку, розвідки і РЕБ МО України – акт від 1.02.2000 р., Київському військовому інституті управління і зв'язку – акт від 31.05.2000 р., Київському міжнародному універсітеті цивільної авіації – акт від 25.06.2000 р.

Публікації. Список наукових праць включає 21 найменування. З них по темі дисертації опубліковано 17 статей у наукових фахових виданнях України. Результати апробації матеріалів дисертації на науково-технічних конференціях та семінарах опубліковані в 4 тезах доповідей. Перелік основних робіт приведений в кінці автореферату.

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних в співавторстві, автору належить: [1] – алгоритми оцінки основних показників комплексів радіовиявлення; [2] – алгоритм побудови імітаційної моделі обробки сигнала; [4] – методологія побудови алгоритмів пошуку та локалізації закладних пристроїв; [5] – визначення критерія для оцінки енергетичної скритності радіозакладних пристроїв; [6] – порівняльний аналіз методів і алгоритмів виявлення ШПС; [7] – алгоритм виявлення надкоротких передач; [8] – енергетичний метод місцевизначення джерел радіовипромінення з моделлю розповсюдження радіохвиль; [9] – аналіз характеристик датчиків засобів радіовиявлення; [15] – аналіз стану сучасної техніки виявлення ШПС; [20] – алгоритм фільтрації вузькосмугової завади; [21] – алгоритм виявлення ШПС.

Апробація результатів дисертації. Основні ідеї і конкретні результати досліджень доповідалися і обговорювалися: на Ювілейній та Другій науково-технічних конференціях (м. Київ, 1998-2000 р.р.) “Правове, нормативне та метрологічне забезпечення системи захисту інформації в Україні”; Десятій Міжнародний конференції НТТ РЕЗ ім. О.С. Попова (МТУЗІ, м. Москва, 2000р.); Четвертій військовий науково-технічній конференції Київського ВІУЗ (м. Київ, 1999р.).

Структура і обсяг. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і 9 додатків. Матеріал роботи викладений на 277 сторінках, з яких 131 сторінку займають малюнки, таблиці, додатки і список використаних джерел, що включає в себе 114 найменувань.

Основний зміст

У Вступі до дисертації обгрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і зміст поставлених завдань. Перераховані основні положення, які виносяться на захист, наведені дані про публікації та запровадження результатів досліджень.

В першому розділі здійснено узагальнення і аналіз технічних характеристик засобів знімання інформації (радіозакладних пристроїв) та перспектив їх подальшого розвитку. Відображено основні напрямки та способи подальшого приховування інформації, що передається радіозакладними пристроями. Аналіз, зроблений в першому розділі, вказує на те, що на даний час найбільшу прихованість мають радіозакладки, які використовують для передачі шумоподібний сигнал з малим рівнем випромінюваної потужності (близько 1мВт) або які працюють в режимі прискореної передачі інформації. В таблицях наведені технічні характеристики радіозакладних пристроїв, які використовують режим прискореної передачі або шумоподібних сигналів.

На основі аналізу характеристик радіозакладних пристроїв і методів виявлення їх сигналів визначені основні тактико-технічні вимоги до програмно- апаратних комплексів радіоконтролю, які б могли в перспективі забезпечити надійне виявлення сигналів радіозакладних пристроїв різного типу.

В другому розділі розроблена математична модель вхідного впливу на комплекс радіоконтролю. Визначено, що канал радіовиявлення сигналів РЗП відноситься до каналів з адитивними завадами, параметри якого мають коливання в залежності від часу суток та обстежуваного діапазону частот. Згідно з розробленою моделлю, в деякий інтервал часу Dt, необхідний для вимірювання вхідної реалізації x(t), в смузі спостереження DF на вході приймача-радіовиявлювача буде спостерігатись сума вхідного впливу сигналу S(t), вузькосмугової завади x(t) та флуктуаційного шуму n'(t) з спектральною щільністю N':

X(t)=S(t)+x(t)+n'(t). (1)

Адитивний шум n'(t), спектральна щільність якого N'=No+Nu (де No – спектральна щільність флуктуаційного шуму, а Nu – спектральна щільність імпульсної завади) буде мати коливання N' в залежності від часу суток, за рахунок складової Nu, основний вклад до якої вносять імпульсні завади від систем автомобільного запалення. Проведений в розділі аналіз показує, що в умовах міста імпульсні завади від систем автомобільного запалення, які можуть розповсюджуватись до частоти 1000 МГц, серйозно впливають на якість виявлення надкоротких передач з імпульсною структурою сигнала через підвищення ймовірності помилкового спрацювання апаратури реєстрації. Тому в комплексах радіоконтролю повинна забезпечуватись стійкість моделей виявлення до імпульсних завад.

На якість виявлення шумоподібних сигналів в значній мірі можуть вплинути вузькосмугові завади, основним джерелом яких є системи та засоби зв'язку, системи телекомунікацій та окремі радіоелектронні засоби, випромінювання яких на даний час повністю перекривають можливий діапазон роботи радіозакладних пристроїв. Тому складова x(t) в (1) теж має нестаціонарний характер, що визначається природою її утворення.

В розділі досліджені сигнально-кодові конструкції сигналів короткочасних передач та амплітудно-частотних спектрів шумоподібних сигналів. Визначені їхні особливості, які слід враховувати при побудові моделі їх обробки. Обгрунтовано, що найбільш прийнятною моделлю виявлення небезпечних сигналів радіозакладок є така, що забезпечує спочатку фільтрацію нестаціонарних компонент x(t) та n'(t), а потім безпосередню обробку сигналів з метою їх виявлення.

В третьому розділі здійснено аналіз можливостей існуючої апаратури послідовного частотного аналізу по виявленню короткочасних передач. Апаратура послідовного частотного аналізу найбільш поширена в підрозділах пошуку та виявлення закладних пристроїв і являє собою звичайний енергетичний виявлювач з послідовною перестройкою у смузі частот.

Особливістю процеса виявлення енергетичним приймачем короткочасних передач є те, що із зменшенням тривалості передачі ймовірність виявлення сигналу зменшується не тільки внаслідок скорочення тривалості частотно- часового контакту сигналу з приймачем, але й внаслідок додаткового згасання, яке вносить інтегратор (ФНЧ) на виході радіовиявлювача. В результаті проведених досліджень визначено, що чим менше тривалість сигналу, тим менше і його рівень на виході виявлювача внаслідок згасання, яке вноситься інтегратором на частотах, що перевищують частоту зрізу фільтра. Таким чином, енергетичний виявлювач погано пристосований для виявлення надкоротких передач тривалістю менше, ніж 0,1с. У зв'язку з цим в розділі розроблена модель виявлення сигналів надкоротких передач, яка дозволяла б здійснювати селекцію цих сигналів. При цьому була використана додаткова інформація про сигнали існуючих радіозакладних пристроїв.

Як показує аналіз, сигнал радіозакладного пристрою, працюючого в режимі надкоротких передач з накопиченням інформації, є у більшості випадків частотноманіпульований і складається з пачок радіоімпульсів тривалості Тр, що складаються, в свою чергу, з субімпульсів (елементарних радіоімпульсів тривалістю Т), які примикають один до одного (тобто є суміжними) і відрізняються частотою несучого коливання, що їх заповнює. Тоді математична модель небезпечного сигнала матиме вигляд:

, (2)

де yi(j) – випадкові початкові фази елементарних імпульсів;

di(j) – елементи псевдовипадкової послідовності;

Nk – кількість елементарних імпульсів.

Така модель сигналу дозволяє звести задачу виявлення короткочасної передачі до виявлення двох пачок некогерентних імпульсів. Крім того, при розробці моделі виявлення враховуються наступні положення, а саме: відліки оминаючої вузькосмугового нормального шуму (флуктуаційної завади) розподілені за законом Релея; розподіл суміші сигнала і шуму підкоряється узагальнюючому закону Релея; при обробці сигнала початкова фаза не має значення. У цьому випадку алгоритм виявлення небезпечного сигнала надкороткої передачі має наступну послідовність.

Спочатку здійснюється узгоджена фільтрація пакетів некогерентних імпульсів. Сигнал, що приймається Х(t)=S(t)+x(t)+n(t) одночасно потрапляє на входи двох узгоджених фільтрів. Один фільтр узгоджено з радіоімпульсом тривалістю Т та частотою заповнення fo=fn+1/4T, а другий фільтр – з радіоімпульсом тривалістю Т та частотою заповнення f1=fn-1/4T. Узгодженими фільтрами здійснюється подавлення нестаціонарної компоненти x(t). Вихідні сигнали фільтрів являють собою результат згортки вхідного сигналу X(t) з імпульсними характеристиками фільтрів у0 та у1:

(3)

Далі відбувається детектування оминаючої імпульсів. З виходів узгоджених фільтрів, сигнали потрапляють на детектори з характеристиками lnIo(Ч) де, за умови q >> 1, відбуваєтся відокремлення оминаючих:

; , (4)

де Io(Ч) – модіфікована функція Бесселя нульового порядку;

S^(t) – перетворення Гільберта від S(t).

Далі відбувається складання вихідних сигналів після детекторів:

. (5)

Після цього формується напруга вихідного імпульсу на виході фільтра, узгодженого з відеоімпульсом тривалістю Тр:

(6)

де y(t-t) – імпульсна характеристика фільтра.

Отримане значення x(t) порівнюється з порогом xп. Правило виявлення визначається виразом:

, (7)

де Ui – дійсні амплітуди імпульсів пакету;

Zi – модуль комплексної оминаючої на виході узгодженого фільтру;

Io – модифікована функція Бесселя нульового порядку.

У випадку перевищення порогу приймається рішення про наявність сигналу. Значення порогу виявлення визначається виразом:

, (8)

де Е = Nk ЧEk; Nk – кількість імпульсів в пакеті; Ek – енергія імпульсу.

Встановлено, що для РЗП працюючих у режимі НКП qo>>1. Тоді лінійний детектор є оптимальним, а кількісні показники мають вигляд:

; (9)

, (10)

де Рлт – ймовірність помилкових тривог; Рпо – ймовірність правильного виявлення сигналу; Q(u,v) – функція Маркума (інтегральний розподіл Релєя-Райса); – параметр виявлення; Nk – кількість імпульсів в пакеті.

Оцінка ефективності моделі виявлення сигналів надкоротких передач і порівняння її характеристик з характеристиками існуючого енергетичного виявлювача показали, що при застосуванні розробленої моделі, в умовах впливу флюктуаційних завад, потрібне значення ймовірності правильного виявлення Рпо=0,99 досягається при співвідношенні Рс/Рш= 4,5 дБ. Існуючий енергетичний виявлювач досягає ймовірності Рпо=0,99 лише при Рс/Рш= 9…9,5 дБ. Створена модель забезпечує впевнене виявлення сигналів тривалістю 2 мс, що є прийнятним показником. Крім того, розроблена модель скорочує приблизно на 47 % час пошуку небезпечних сигналів РЗП.

Таким чином, розроблена модель виявлення сигналів надкоротких передач закладних пристроїв забезпечує суттєво більшу ефективність їх виявлення, в умовах впливу імпульсних завад, порівняно з існуючим енергетичним виявлювачем.

В четвертому розділі розроблено модель виявлення небезпечного шумоподібного сигналу, сформованого на основі псевдовипадкових послідовностей. В основу розробки моделі покладено послідовне виконання двоетапної процедури. На першому етапі передбачається фільтрація вузькосмугової завади компенсаційним способом за допомогою спеціально розробленого алгоритму. На другому етапі для виявлення ШПС використовуються особливості їх спектральних характеристик, а саме наявність викидів в спектрі сигнала. Викиди – це ділянки енергетичного спектру, на яких частотні складові мають більш високу інтенсивність по відношенню до спектральних складових сусідніх ділянок.

У розділі досліджені розподіли порядкових статистик, сформованих з вибіркових значень суміші сигналу і шуму на вході радіовиявлювача в частотній області визначення. Встановлено, якщо на вході приймача присутній тільки гаусівський шум, то вихідний масив Sk, сформований з вибіркових значень в частотній області, буде статистично однорідним. Це означає, що після операції центрування масиву Sk по n відлікам внаслідок симетричності гаусівського розподілу кількість дискретних відліків над рівнем 0 буде (при n®Ґ) дорівнювати кількості дискретних випадкових відліків, які знаходяться нижче рівня 0. Це призведе до того, що після ранжування вибіркових значень центрованого масиву у порядку зростання їх значень, середні значення лівої (mл) та правої частин (mп) нового масиву, відносно середнього відліку масива в точці (n/2)+1, будуть рівними: |mл|-mп=0, де , . У разі появи сигналу серед шуму відбувається стохастичне зростання сигнально-шумової вибірки порівняно з чисто шумовою, внаслідок чого порушується статистична однорідність масиву Sk. Це призведе до того, що розподіл центрованого масиву буде Релеєвським. Релеєвський розподіл є асиметричним. Згідно з таким припущенням, середня тривалість викиду в частотній області визначення для сигнально-шумового масиву Sk, над деяким рівнем xo, буде більше середньої тривалості інтервалів між викидами, а амплітудні значення частотних складових – більше. Якщо після центрування масиву Sk проаналізувати отриману послідовність у порядку зростання значень її елементів, то модуль середнього значення лівої (мінусової) та правої (позитивної) частин масива будуть різнитись на величину |mл|-mп=D.

Для більш чіткого розрізнення ситуацій наявності або відсутності сигналу опорний, або початковий, масив вибіркових значень доповнюється додатковим допоміжним масивом, який по своїм якостям співпадає з початковим. Це здійснюється шляхом поділу масиву Sk (рис.1,а) на дві половини по n/2 відліків у кожній. Першою половиною є масив X[n/2] (рис.1,б), а другою – Y[n/2] (рис.1,в). Операція центрування кожного з масивів X та Y формує нові масиви (рис.1,г) та (рис.1,д). Для забезпечення чіткої роздільності шумових та сигнальних відліків застосовується додаткова операція нелінійного перетворення, яка лягає в тому, що кожен елемент масиву перемножується з відповідним йому за номером елементом масиву . В результаті утворюється нова послідовність Z [n/2] (рис.1,е). У разі чисто шумової початкової виборки Sk, масив Z буде однорідним. Якщо впорядкувати отриману випадкову послідовність (масив) Z в порядку зростання значень її елементів, то з деякими припущеннями можна вважати, що модулі середніх значень лівої та правої частин масиву будуть рівними, а саме: |mл| - mп ” 0.

Аналіз показує, що поява в адитивному гаусовому шумі шумоподібного сигнала, сформованого на основі ПВП, викличе зміну середнього значення вибіркового масиву Sk в бік його підвищення. Центрування вибіркових значень

Рис.1 Розподіл спектральних складових та порядкових статистик.

призведе до того, що більша частина шумових відліків буде зосереджена в області мінусових значень масивів . В позитивній області залишаться відліки сигнальних викидів і менша частина шумових. Нелінійне перетворення (поелементне перемноження ) підсилить різницю шумових (мінусових) і сигнальних (позитивних) вибіркових значень.

В вихідному масиві Z елементи виборок будуть розподілені за експоненціальним законом. Якщо проранжувати вибіркові значення масиву Z, то отримані порядкові статистики утворюють масив М (рис.1,ж).

Дослідження показали, що середні значення модулів мінусових і позитивних вибіркових значень масиву М при наявності сигналу в шумі будуть розрізнятись на величину, більшу ніж D: |mл| - mn> D.

Різниця між позитивними та мінусовими значеннями масива [М] (рис.1,з) може служити ознакою наявності сигналу в шумі. При цьому, якщо різниця середніх значень модуля мінусової та позитивної підобластей масива М перевищує вказаний поріговий рівень D, то сигнал можна вважати виявленим.

Встановлено, що процедуру визначення порогу D можна звести до обчислення дисперсій середніх значень всього масиву та обраного підмасиву позитивних значень і помноження їхньої суми на коефіцієнт, який залежить від обраного критерію, а саме:

, (11)

де - дисперсія середніх значень масиву Z;

- дисперсія підмасива позитивних значень.

При виявленні, згідно з критерієм Неймана-Пірсона, коефіцієнт Клm визначається по заданій ймовірності помилкового виявлення, виходячи з співвідношення:

, (12)

де Ф (Клm) – інтеграл ймовірності.

Ймовірність виявлення сигналу визначається по формулі:

. (13)

Враховуючи вищенаведене, послідовність виявлення шумоподібного сигналу складатиметься з наступних кроків :

1. Виконання дискретизації вхідної реалізації в заданій смузі частот.

2. Виконання БПФ над вхідною реалізацією.

3. Поділ масиву частотних виборок Sk [n] на два масива X та Y по n/2 відліків у кожному.

4. Обчислення середніх вибіркових значень масивів X та Y.

5. Центрування випадкових вибіркових значень масивів X та Y.

6. Виконання нелінійного перетворення (поелементне множення) над масивами та . Формування масива Z[n/2].

7. Впорядкування масива Z[n/2] в порядку зростання значень елементів. Отримання нового масиву M[n/2], який являє собою варіаційний ряд.

8. Перетворення мінусових значень впорядкованого масиву М в позитивні.

9. Обчислення середніх значень l елементів підобласті зліва М- та підобласті М+.

10.Визначення різниці середніх значень і порівняння її з порогом D. Якщо різниця перевищує поріг D, то сигнал вважається виявленим, якщо ні – сигнал в спектрі реалізації відсутній.

Оцінка ефективності моделі виявлення шумоподібних сигналів на основі псевдовипадкових послідовностей на фоні широкосмугового гаусівського шуму здійснювалась методами розрахунку та імітаційного моделювання. Опис розробленої моделі та текст програми наведено в Додатках.

Результати експериментальних досліджень показали наступне:

1. Характеристики алгоритму виявлення суттєво залежать від значень розстройки по частоті (d) опорної та допоміжної виборок (масивів).

2. При відсутності розстройки між опорною та допоміжною виборками (масивами) по частоті (d”0) задана ймовірність правильного виявлення Рпо=0,99 досягається при співвідношенні “сигнал-шум” рівному -10…-12 дБ.

3. Якщо значення розстройки перевищує половину ширини ділянки спектрального викиду, то значення ймовірності правильного виявлення погіршується, в середньому, на 7-8дБ. Значення Рпв=0,99 у випадку d=0,5 досягається при значенні Рс/Рш=6дБ.

Здійснювались також експериментальні дослідження моделі виявлення ШПС при різних значеннях співвідношення g довжини шумової частки початкової вибірки до довжини всієї ділянки спектра, який містить як сигнальні, так і шумові відліки. В результаті порівняння отриманих експериментальних даних визначено, що в разі неузгодження смуги пропускання приймального тракта радіовиявлювача з шириною спектра сигнала, при умові d=0, ефективність алгоритма виявлення погіршується швидше, ніж при зростанні частотної розстройки (d) між опорною та допоміжною виборками. Збільшення розстройки d в середньому на 0,1 викликає погіршення якості алгоритма виявлення на 3-4 дБ, в той час, як збільшення кількості шумових відліків g на 0,1 від загальної кількості відліків у масиві, за умови d=0, погіршує якість алгоритма виявлення на 5-6 дБ. Тому, у разі програмної реалізації алгоритму виявлення, першочергову увагу слід приділяти високій розрівнювальній здатності тракту обробки сигналів (не гірше 1 кГц) та забезпеченню точності співпадання частотних викидів опорної та допоміжної виборок, бажано не гірше 0,1…0,2, для підтримання високої виявлювальної здатності комплекса радіоконтролю.

Розрахунок визначає, що запропонована модель обробки дозволяє здійснювати класифікацію ШПС по відношенню до інших сигналів та завад, скорочуючи на 53% час, який потрібно витратити на виявлення джерела радіовипромінення. Ймовірність помилкових тривог зменшується в 40 разів.

Задачею п'ятого розділу є створення на основі проведених досліджень моделі функціонування програмно-апаратного комплекса радіоконтролю при виявленні радіозакладних пристроїв, які використовують небезпечні шумоподібні сигнали та сигнали надкоротких передач для оцінки ефективності показників ПАКР.

Модель призначена для дослідження процесів пошуку та виявлення складних небезпечних сигналів РЗП при врахуванні обмежень на обчислювальні ресурси, з метою оцінки показників ефективності розроблюваних ПАКР, а також вибору оптимальних технічних характеристик прийомного тракту виявлювача.

Моделювання передбачає побудову моделі пошуку та виявлення, здійснюваного в ПАКР, на основі двох компонент. Основною компонентою є імітаційна модель процеса обробки прийнятого сигнала, яка дозволяє за критерієм Неймана-Пірсона оцінити ефективність виявлення складних сигналів. Друга компонента являє собою блок аналітико-імітаційного моделювання, призначений для визначення інших показників ПАКР.

На відміну від відомих, модель враховує параметр згасання радіохвиль в диапазоні від 30 до 3000 МГц для трьох типів радіотрас: приміська зона, індустріальне місто, адміністративні та виробничі приміщеня.

Згідно з розробленою моделлю, при оцінці ефективності застосування ПАКР для пошуку та виявлення складних сигналів, задачі вирішуються в наступній послідовності:

1. Згідно з критерієм Неймана-Пірсона оцінюється ефективність алгоритма обробки прийнятого сигнала в ПАКР. За результатами імітаціонного експеримента визначається ймовірність правильного виявлення Рпо при заданих співвідношеннях сигнал-шум (h2) на вході приймача. Будується крива залежності Рпо=j(h2), яку називають характеристичною кривою виявлення.

2. У разі моделювання процесів виявлення сигналів надкоротких передач розраховується ймовірність частотно-часового контакта Рк та ймовірність енергетичного виявлення Рео, а потім ймовірність виявлення Рпо, як добуток двох множників Рео та Рк , а саме: Рпо = РеоЧ Рк.

3. Визначивши потрібне значення ймовірності електромагнітної доступності (Ремді0,99), здійснюється оцінка радиуса зони ЕМД (rпр) з врахуванням затухання радіохвиль в умовах індустріального міста та в окремих будівлях.

4. Згідно з наведеними в моделі алгоритмами, у разі необхідності здійснюється вибір (або уточнення) технічних характеристик радіовиявлювача.

5. На основі аналітичних виразів здійснюється оцінка середнього часу виявлення джерела радіовипромінювання, який не повинен перевищувати визначений (). Або здійснюється оцінка ймовірності того, що час виявлення джерела радіовипромінювання не перевищить визначений Р(tвскЈТд).

6. Здійснюється оцінка результатів моделювання та порівняння отриманих показників з показниками ефективності інших засобів виявлення.

Оцінка ефективності моделі функціонування ПАКР здійснювалась за критерієм скорочення працезатрат на підготовку даних, порівняно з іншими подібними моделями, її адекватності реальним процесам, які відбуваються в ПАКР при пошуку та виявленні шумоподібних сигналів і сигналів короткочасних передач та простоті реалізації.

При використанні моделі скорочується в 10 разів кількість вхідних даних для моделювання процесу пошуку та виявлення, порівняно з існуючими моделями і в 3-4 рази скорочується час на підготовку даних для моделювання.

Оцінка адекватності здійснювалась на розробленій, згідно з наданим алгоритмом обробки складних сигналів, імітаційній моделі виявлення ШПС. При цьому перевірялась відповідність створеної моделі реальній системі виявлення, яка являє собою взаємокореляційний пристрій, в умовах виявлення детермінованого сигналу. Здійснена оцінка показала відповідність моделі до реальної системи при 9 % рівні значущості.

Основні результати роботи викладені у висновках по кожному з розділів і в висновках до дисертації.

В додатках наведені класифікація закладних пристроїв, аналітична модель розповсюдження радіохвиль УКХ-діапазону, опис імітаційної моделі та текст її програми, а також оцінка адекватності створеної моделі. Програма імітаційної моделі написана в мовному середовищі Delphi 4.0.

Висновки

У дисертації наведене нове вирішення важливого і актуального науково- прикладного завдання, що виявляється в розробці нових моделей виявлення небезпечних сигналів РЗП з метою підвищення ефективності програмно- апаратних комплексів радіоконтролю спеціального призначення.

Головний підсумок роботи, її значення для науки і практики полягає в створенні і теоретико-експериментальному дослідженні нових моделей виявлення небезпечних сигналів та моделі функціонування ПАКР при виявленні небезпечних сигналів радіозакладних пристроїв.

Найбільш важливі наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Ефективність ПАКР істотно залежить від виконання запропонованих до них підвищених вимог по виявлювальній здатності, швидкості пошуку небезпечних сигналів та розміру зони електромагнітної досяжності до джерел випромінювання. Однак, вимоги по покращенню тактико-технічних показників комплексів виявлення сучасних РЗП диктують, в свою чергу, потребу в створенні нових моделей та алгоритмів обробки сигналів.

2. Одним з шляхів створення нових моделей обробки є використання априорних відомостей про сигнали існуючих РЗП. В роботі показано, що небезпечний сигнал надкороткої передачі може бути представлений у вигляді суми двох пачок некогерентних імпульсів, що дозволило розробити модель виявлення сигналів короткочасних передач тривалістю до кількох міллісекунд, яка має стійкість до впливу імпульсних завад. Запропонована модель забезпечуе стійке виявлення сигналів з вірогідністю Роб=0,99 та Рлт=0,01 при співвідношенні сигнал/шум 3…4 дБ. Час пошуку сигнала при цьому скорочується на 47 %, а ймовірність помилкових тривог в 6 разів.

3. Визначено, що у випадку дії на вході радіовиявлювача тільки широкосмугової гаусової завади, абсолютні значення порядкових статистик центрованих вибіркових значень шуму розподіляються симетрично відносно нульового рівня. Встановлено, що в результаті нелінійного перетворення, яке складається з перемноження відліків опорної та допоміжної виборок (масивів і ), розподіл абсолютних значень порядкових статистик центрованих виборок лівої М- та правої М+ підобластей залишиться також приблизно симетричним.

4. Встановлено, що поява небезпечного сигнала призводить до порушення однорідності шумової виборки, і після інваріантних та нелінійних перетворень симетричність абсолютних значень впорядкованих статистик порушується. Порушення симетрії супроводжується нерівністю середніх значень порядкових статистик зліва (М-) і справа (М+) відносно середнього значення (n/2)+1. Експериментальні дані вказують на те, що нерівність спостерігається уже при відношенні сигнал/шум менше, ніж -10 дБ.

5. Отримані результати дозволили створити модель виявлення небезпечних шумоподібних сигналів, сформованих на основі ПВП. Дана модель забезпечує стійке виявлення сигналів з вірогідністю Рпо=0,99 та Рлт=0,01 при співвідношенні сигнал/шум -15…-10 дБ. Час пошуку сигналів при цьому скорочується на 72%, а радіус виявлення РЗП збільшується на 27%.

6. Розроблено алгоритм фільтрації зосереджених за спектром завад. В результаті аналітичних розрахунків встановлено, що фільтрація вузькосмугової завади програмним компенсаційним способом забезпечує подавлення складових зосередженої завади на рівні 10-2ё10-3, що дає змогу використовувати даний спосіб для “вибілювання” записаної в пам'ять ПЕОМ ділянки радіочастотного спектра.

7. Розроблена модель функціонування ПАКР, яка дозволяє методом обчислювального експеримента та за допомогою аналітичних виразів визначити і розрахувати основні показники ефективності ПАКР. Запропонована математична модель адекватно відображує фізичні процеси, що відбуваються при пошуку та виявленні складних сигналів радіозакладних пристроїв в умовах впливу зовнішніх завад і враховує згасання радіохвиль небезпечних сигналів в умовах індустріального міста та в окремих будівлях. Розроблено алгоритм імітаційного моделювання процесу пошуку та виявлення складних сигналів для оцінки характеристики виявлення. Крім того, здійснена розробка алгоритмів для оцінки параметрів програмно-апаратних комплексів радіоконтроля. Дана модель дозволяє в 10 разів скоротити кількість вхідних даних для моделювання.

8. Достовірність теоретичних положень і виводів, отриманих у дисертаційній роботі, підтверджується правильністю й обгрунтованістю вихідних теоретичних передумов; коректністю поставленої проблеми і складових частин досліджень; використанням класичного математичного апарата, результатів експериментів і моделювання; впровадженням розроблених при особистій участі автора методик, моделей та алгоритмів у практику вищих навчальних та наукових закладів.

Вищенаведене дозволяє зробити висновок про те, що завдання, сформоване в дисертації, вирішене, а ціль дисертаційної роботи – досягнута.

Основні роботи, опубліковані по темі дисертації

1. Максименко Г.А., Богданов А.М. Алгоритмы оценки параметров перспективных комплексов радиоконтроля // Моделювання та інформаційні технології: – Зб. наук. пр. ІПМЕ НАНУ. – 2000. – Вип.5. – С.80-85.

2. Максименко Г.А., Богданов А.М. Методика моделирования процесса поиска и обнаружения, осуществляемого комплексами радиоконтроля // Збірник наукових праць ІПМЕ НАНУ. – 2000. – Вип.9. – С.47-52.

3. Максименко Г.А. Оценка скрытности устройств съема информации // Збірник наукових праць КВІУЗ. – К.:КВІУЗ,1998. – Вип.4. – С.112-122.

4. Максименко Г.А., Телиженко А.Б. Особенности построения алгоритмов поиска устройств съема информации // Збірник наукових праць КВІУЗ. –К.:КВІУЗ,1998. – Вип.3. – С.97-107.

5. Максименко Г.О., Богданов О.М. Критерій енергетичної скритності систем зйому інформації // Праці КВІУЗ. – 1999. – Вип.1. – С.140-143.

6. Максименко Г.О., Богданов О.М. Методи виявлення шумоподібних сигналів // Праці КВІУЗ. – 1999. – Вип.2 – С.41-42.

7. Максименко Г.О., Биков С.В., Яковлев К.І. Алгоритм виявлення радіозакладних пристроїв, які працюють у режимі прискореної передачі // Праці КВІУЗ. – 1999. – Вип.4. – С.33-43.

8. Максименко Г.О., Биков С.В. Енергетичний метод визначення місцеположення джерел радіовипромінювання мобільного зв'язку з моделлю, що навчаеться розповсюдженню радіохвиль // Збірник наукових праць КВІУЗ. – 1999. – Вип.1. – С.224-230.

9. Биков С.В., Максименко Г.О., Яковлев К.І Аналіз основних характеристик первинних датчиків засобів контролю електромагнітного випромінювання в інтересах їх проектування // Збірник наукових праць КВІУЗ. – 1999. – Вип.3. – С.147-151.

10. Максименко Г.О. Алгоритм виявлення вузькосмугових сигналів за спектром їх реалізації // Збірник наукових праць КВІУЗ. – 2000. – Вип.4. – С.70 -76.

11. Максименко Г.А. Оценка защищенности объекта от технических каналов утечки // Защита информации: Сборник научных трудов. – К.: КМУГА, 1999. – С.37-43.

12. Максименко Г.А. Модель комплекса обнаружения радиосигналов // Вісник КМУЦА. – 2000. – № 1-2. – С.180-183.

13. Максименко Г.А. Аналитическая модель распространения ультракоротких волн на различных типах радиотрасс// Захист інформації. – 2000. – № 2(3). –С.23-30.

14. Максименко Г.О. Алгоритм виявлення шумоподібних сигналів сформованих на основі псевдовипадкових послідовностей// Зб. наук. праць ЦНДІ ЗС України. – К.: ЦНДІ ЗСУ, 2000. – №2(11). – С.180-188.

15. Максименко Г.О., Биков С.В. Анализ современной техники обнаружения кратковременных и широкополосных передач // Збірник наукових праць КВІУЗ. – К.:КВІУЗ,1998. – Вип.5. – С.231-239.

16. Максименко Г.А. Принцип поиска радиозакладных устройств по максимальному уровню принимаемого сигнала // Збірник наукових праць КВІУЗ. – К.:КВІУЗ,1998. – Вип.5. – С.224-230.

17. Максименко Г.А. Возможности модификации существующих анализаторов спектра для поиска радиозакладок с ШПС, имеющими небольшую базу сигнала // Защита информации: Сборник научных трудов. – К.: КМУГА, 1998. – С.195-203.

18. Максименко Г.А. Требования к обнаружителям радиосигналов и их влияние на характеристики аппаратуры проведения испытаний // Праці Ювілейної науково-технічної конференції “Правове, нормативне та метрологічне забезпечення систем захисту інформації в Україні”.– Секція 1. Правові основи захисту інформації. – Київ: НТУУ "КПІ". – 1998. – С.92-97.

19. Максименко Г.А. Алгоритм обнаружения шумоподобных сигналов, формируемых на основе псевдослучайных последовательностей // Праці Другої науково-технічної конференції “Правове, нормативне та метрологічне забезпечення системи захисту інформації в Україні” – К.: НТУУ “КПІ”,2000. – С.107-113.

20.Богданов А.М., Максименко Г.А. Программный алгоритм фильтрации узкополосных помех // Материалы Десятой Международной конференции НТО РЭС им. А.С. Попова “Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания”– Москва: МТУСИ. – 2000. – С.95-98.

21.Богданов А.М., Максименко Г.А. Программный алгоритм обнаружения шумоподобных сигналов // Материалы Десятой Международной конференции НТО РЭС им. А.С. Попова “Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания”.–