Giải pháp trinh sát và gây nhiễu các đường thông tin nhảy tần tốc độ cao - Nguyễn Anh Tú

Công nghệ thông tin N. A. Tú, N. Đ. Định, “Giải pháp trinh sát và gây nhiễu thông tin nhảy tần tốc độ cao.” 190 GIẢI PHÁP TRINH SÁT VÀ GÂY NHIỄU CÁC ĐƯỜNG THÔNG TIN NHẢY TẦN TỐC ĐỘ CAO Nguyễn Anh Tú1*, Nguyễn Đức Định2 Tóm tắt: Bài báo nghiên phương pháp gây nhiễu các đường thông tin nhảy tần, tìm hiểu một số mẫu khí tài gây nhiễu thông tin nhảy tần trong và ngoài nước. Từ những nghiên cứu tổng quan kết hợp với quá trình thử nghiệm thực tế ngoài thực địa, bài báo đưa ra giải pháp thiết kế mẫu khí tài trinh sát và gây nhiễu các thông tin nhảy tần với tốc độ cao lên đến đến 1000 tần số/giây. Từ khóa: Tác chiến Điện tử; Trinh sát gây nhiễu; Gây nhiễu thông tin nhảy tần. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ý tưởng sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong thông tin liên lạc như là một biện pháp chống lại nhiễu cố ý và bảo mật thông tin đã có từ lâu, từ khi phát minh ra đến nay, máy thông tin nhảy tần đã trải qua nhiều giai đoạn nghiên cứu, phát triển. Xu hướng hoàn thiện tính năng cho máy thông tin nhảy tần là: kích thước và trọng lượng nhỏ, dải tần làm việc rộng, tốc độ nhảy tần cao, thời gian đồng bộ nhỏ, được trang bị đồng hồ có độ chính xác cao và cập nhật thời gian thực thông qua máy thu tín hiệu GPS. Mặc dù các sản phẩm có nguồn gốc khác nhau, nhưng chúng đều được thiết kế trên một nguyên lý giống nhau, nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật cơ then chốt như sau: - Thời gian xác lập tần số công tác nhỏ (khoảng vài chục micro giây); - Số hoá, mã hoá và giải mã thông tin cần trao đổi (để nén dữ liệu về mặt thời gian kết hợp với truyền các bit không mang tin như: bit đồng bộ, mã hoá... ); - Đồng bộ về thời gian và xung nhịp (để các máy thu phát có thể trao đổi thông tin với nhau ở cùng một tần số tại một thời điểm). Trong các vấn đề kỹ thuật nêu trên, khó thực hiện nhất là đồng bộ về thời gian, quá trình thực hiện đồng bộ và trao đổi thông tin có thể được diễn giải ngắn gọn như sau: - Khi chuẩn bị liên lạc, các máy thông tin thực hiện đồng bộ. Việc đồng bộ được bắt đầu ở một tần số xác định. Tần số này nằm trong dải tần công tác và thay đổi theo thời gian thực. Thông thường các máy thông tin luôn đồng bộ với nhau về mặt thời gian nhờ có đồng hồ chính xác hoặc cập nhật thời gian thực thông qua thiết bị GPS. Tuy nhiên, vẫn cần hiệu chỉnh thời gian trong quá trình chuẩn bị liên lạc do cự ly thông tin thay đổi hoặc do ảnh hưởng của những yếu tố khác. Để hiệu chỉnh, đồng bộ thời gian giữa các máy thu phát, thông thường cần một khoảng bằng độ dài 15 bước nhảy tần. - Sau khi đồng bộ xong, máy thu phát nhảy tần sẽ “bắt tay nhau” đến các tần số mà cả hai cùng biết trước với cùng một tốc độ (xem giản đồ thời gian biểu diễn quá trình thay đổi tần số trên hình 1). Trong quá trình nhảy tần, chúng chỉ trao đổi thông tin khi cả hai đã xác lập được tần số công tác ở mỗi bước nhảy. Khác với các dạng Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018 191 tín hiệu thông tin liên lạc tần số cố định, tín hiệu thông tin nhảy tần có thời gian tồn tại khá bé từ vài mili giây cho đến vài chục mili giây ở mỗi tần số sóng mang. Độ rộng phổ tín hiệu thông tin nhảy tần tương đương hoặc lớn hơn độ rộng của tín hiệu liên lạc tần số cố định, tần số sóng mang thay đổi liên tục, ngẫu nhiên trong một đoạn hoặc toàn bộ dải tần công tác. Chính vì những đặc điểm nêu trên, việc thu chặn và chế áp tín hiệu thông tin nhảy tần là một thách thức rất lớn [1]. Hình 1. Giản đồ thời gian tín hiệu thông tin nhảy tần. 2. CÁC PHƯƠNG ÁN TRINH SÁT, GÂY NHIỄU THÔNG TIN NHẢY TẦN 2.1. Gây nhiễu trong thời gian đồng bộ Gây nhiễu máy thông tin nhảy tần trong thời gian đồng bộ được xem là biện pháp đơn giản và hiệu quả nếu như biết trước tần số đồng bộ. Không đồng bộ được với nhau thì liên lạc nhảy tần sẽ không thực hiện được. Tuy nhiên, thời gian đồng bộ tương đối nhỏ (máy nhảy tần 512 bước/giây mất khoảng 30 ms để đồng bộ). Hơn thế nữa, do không biết trước tần số mà các máy nhảy tần sẽ thực hiện đồng bộ, vì vậy, thiết bị phải có khả năng thu chặn và tạo nhiễu kịp thời ở tần số bất kỳ trong toàn bộ dải tần công tác, điều này sẽ dẫn đến cấu trúc phức tạp của thiết bị gây nhiễu. Gây nhiễu trong thời gian này sẽ trở nên không khả thi nếu đối phương thực hiện đồng bộ sớm (ở thời điểm bắt đầu thực thi nhiệm vụ, khi đó đối phương ở xa nên rất khó phát hiện. Nếu đồng bộ giữa các máy thông tin diễn ra ở cự ly nhỏ, khi đó thiết bị gây nhiễu không đủ công suất để thực hiện chế áp). 2.2. Gây nhiễu bám Đây là phương pháp đã được đề cập đế trong một số tài liệu nghiên cứu và đã có một vài thiết bị gây nhiễu được xây dựng dựa trên nguyên lý này. Đúng như tên gọi của nó, thiết bị gây nhiễu sẽ tạo ra tín hiệu nhiễu bám theo các bước nhảy tần của máy thông tin khi chúng đã thiết lập được chế độ đồng bộ. Hình 2 thể hiện giản đồ Công nghệ thông tin N. A. Tú, N. Đ. Định, “Giải pháp trinh sát và gây nhiễu thông tin nhảy tần tốc độ cao.” 192 thời gian của thiết bị gây nhiễu bám. Thách thức lớn nhất đối với thiết bị gây nhiễu bám là không biết quy luật nhảy tần của đối phương. Cùng với điều đó, thời gian tồn tại của tín hiệu tại một tần số công tác rất nhỏ. Với bước nhảy 512 bước/giây, thời gian tồn tại xấp xỉ 2 ms. Để có thể bám theo được các bước nhảy, thiết bị gây nhiễu cần thu chặn tín hiệu trong một khoảng thời gian nhất định trong dải tần công tác, xác định các tham số quan trọng để nhận biết các dấu hiệu của đường liên lạc thông tin nhảy tần, như: tốc độ nhảy tần, cường độ tín hiệu, hướng tới của mục tiêu... Có được nhiều tham số của tín hiệu thông tin nhảy tần, sẽ tăng khả năng xác định đúng mục tiêu và thực hiện thuật toán gây nhiễu hiệu quả. Hình 2. Giản đồ thời gian mô tả gây nhiễu bám. Khi thực hiện gây nhiễu, căn cứ vào các dữ liệu đã thu được và thông tin từ việc xử lý một phần tín hiệu của một bước nhảy tần (có thể là một nửa thời gian của 1 bước nhảy - khoảng 1 ms giây đối với tốc độ 512 bước/giây), thiết bị gây nhiễu sẽ quyết định việc bức xạ nhiễu ở phần thời gian còn lại. Do không biết trước tần số công tác tiếp theo của máy thông tin, thiết bị gây nhiễu sẽ phải lặp lại chu trình này đối với từng bước nhảy. Với công nghệ và kỹ thuật điện tử phát triển như ngày nay, việc thu chặn, phát hiện ra các đường thông tin nhảy tần không còn là vấn đề phức tạp, tuy nhiên, để gây nhiễu bám có hiệu quả cao, làm tê liệt hay gián đoạn cuộc liên lạc thì không hề đơn giản. Bởi vì, trên thực tế, không gian trường điện từ diễn ra khá phức tạp. Ngoài các bức xạ vô tuyến có nguồn gốc tự nhiên, có các mạng thông tin liên lạc cố định hoặc nhảy tần khác cũng hoạt động trên dải tần cần chế áp, vì vậy, nhận biết chính xác mục tiêu cần gây nhiễu sẽ trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Xác định sai mục tiêu sẽ dẫn đến việc bám nhầm và gây nhiễu không hiệu quả. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018 193 2.3. Gây nhiễu chặn Đơn giản hơn về mặt kỹ thuật là phương án sử dụng nhiễu chặn. Ưu điểm của nhiễu chặn là không đòi hỏi các thuật toán xử lý và tạo nhiễu phức tạp. Tín hiệu nhiễu được tạo ra có phổ rất rộng, để chế áp tất cả các đường thông tin liên lạc có phổ tần nằm trong đó. Phương pháp này có thể hiệu quả trong trường hợp đối phương sử dụng chế độ nhảy tần dải hẹp (chỉ nhảy trong một phần của dải tần công tác). Nếu nhảy tần toàn dải thì hiệu quả chế áp sẽ là rất thấp. Để thấy được nhược điểm chính của nhiễu chặn, ta thử tính hiệu quả sử dụng năng lượng của nhiễu chặn so với nhiễu ngắm. Giả sử ta có kênh thông tin độ rộng là 25 kHz, nhiễu ngắm có phổ nhiễu bằng độ rộng kênh thông tin, nhiễu chặn có độ rộng phổ là 10 MHz. Lúc này, để tạo ra công suất nhiễu trung bình lên một kênh thông tin bằng với công suất trung bình của nhiễu ngắm cũng tạo ra trên kênh thông tin đó, nhiễu chặn cần có nguồn năng lượng công suất gấp 400 lần so với nhiễu ngắm (dải tần 10 MHz tương đương với 400 kênh thông tin có độ rộng 25 kHz). Trong các phương pháp gây nhiễu nêu trên, chúng ta chưa đề cập đến ảnh hưởng của nhiễu lên chính các đường thông tin liên lạc của quân ta. Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị gây nhiễu bám cần có thông tin để nhận biết được đâu là đường thông tin liên lạc của ta. Vì vậy, chuỗi mã tần số, bảng mã các tần số đồng bộ của các máy thông tin nhảy tần quân ta cần được nạp cho thiết bị gây nhiễu. Dựa vào các dữ liệu này trong quá trình thu chặn và xử lý tín hiệu, thiết bị gây nhiễu sẽ tránh bức xạ nhiễu tại các tần số thông tin liên lạc của ta. Nhiễu chặn sử dụng hợp lý khi cho phép bố trí nguồn nhiễu sát với đối phương và ở xa các máy thông tin liên lạc của ta. Độ rộng phổ tín hiệu thông tin nhảy tần tương đương hoặc lớn hơn độ rộng của tín hiệu liên lạc tần số cố định, tần số sóng mang thay đổi liên tục, ngẫu nhiên trong một đoạn hoặc toàn bộ dải tần công tác. Khác với các dạng tín hiệu thông tin liên lạc tần số cố định, tín hiệu thông tin nhảy tần có thời gian tồn tại khá bé từ vài mili giây cho đến vài chục mili giây ở mỗi tần số sóng mang. Độ rộng phổ tín hiệu thông tin nhảy tần tương đương hoặc lớn hơn độ rộng của tín hiệu liên lạc tần số cố định, tần số sóng mang thay đổi liên tục, ngẫu nhiên trong một đoạn hoặc toàn bộ dải tần công tác. Chính vì những đặc điểm nêu trên, việc thu chặn và chế áp tín hiệu thông tin nhảy tần là một thách thức rất lớn. Đây cũng là nội dung sẽ được trình bày trong nội dung tiếp theo của bài báo [2]. 3. MỘT SỐ MẪU KHÍ TÀI TRINH SÁT, GÂY NHIỄU THÔNG TIN NHẢY TẦN VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ. 3.1. Một số khí tài trinh sát, gây nhiễu thông tin nhảy tần cụ thể - Khí tài AJAS do Hãng PLATH của Đức sản xuất. Khí tài AJAS (Automatic Jamming System) là hệ thống tự động trinh sát gây nhiễu làm việc trong dải tần từ 30 đến 500 MHz. Đây là một trong các loại khí tài mang vác ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại và có các chức năng nổi bật như gây Công nghệ thông tin N. A. Tú, N. Đ. Định, “Giải pháp trinh sát và gây nhiễu thông tin nhảy tần tốc độ cao.” 194 nhiễu dải rộng, nhiễu tấn công và nhiễu bám theo, có băng thông tức thời 20 MHz, độ nhạy phát hiện -110 dBm và công suất phát nhiễu 300 W [3]. - Khí tài TN-223 do tập đoàn viễn thông quân đội sản xuất. Khí tài TN-223 có tính năng tương tự như khí tài AJAS do cộng hòa liên bang đức sản xuất, cụ thể như sau: Khí tài dùng để tự động trinh sát và gây nhiễu các đường thông tin và truyền số liệu hoạt động trong dải từ 30 đến 100 MHz, có băng thông tức thời 20 MHz, độ nhạy phát hiện -110 dBm và công suất phát nhiễu 300 W. Khí tài được thiết kế với nhiều chức năng hiện đại như gây nhiễu tấn công, nhiễu bám để có thể gây nhiễu được các đường thông tin nhảy tần lên đến 500 tần số/giây. 3.2. Thiết kế, chế tạo mẫu khí tài trinh sát gây nhiễu thông tin nhảy tần Trong những năm qua nhóm nghiên cứu đã có nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu, qua quá trình nghiên cứu, khai thác khí tài mới, nhóm đã làm chủ được công nghệ chế tạo mẫu khí tài mang vác có tính năng tương đương như khí tài nhập ngoại. Hình 3. Sơ đồ chức năng của thiết bị gây nhiễu thông tin nhảy tần. Sơ đồ chức năng tổng quát của khí tài trinh sát, gây nhiễu thông tin nhảy tần được thể hiện trên hình 3. Trên sơ đồ này ta thấy khí tài sử dụng 02 anten độc lập cho tuyến thu và phát. Việc sử dụng 02 anten để đơn giản kết cấu chuyển mạch anten thu phát trong trường hợp dùng chung 01 anten. Anten phát là loại anten loga chu kỳ, để bảo đảm bao trùm toàn bộ dải tần công tác, chức năng cụ thể của các khối như sau: Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018 195 - Khối máy thu, trinh sát dải rộng: Biến đổi tín hiệu đầu vào cao tần từ 30 đến 100 MHz thành tín hiệu trung tần 45 MHz để đưa đến khối xử lý tín hiệu. - Khối xử lý tín hiệu: Biến đổi tín hiệu trung tần 45 MHz thành tín hiệu số, xử lý tín hiệu, xác định mục tiêu và vẽ phổ tín hiệu đưa sang khối điều khiển. - Khối điều khiển: Điều khiển mọi hoạt động của khí tài theo thuật toán làm việc và hiển thị phổ tín hiệu. - Giao diện chắc thủ: Là các giao diện ngoại vi như bàn phím, chuột để trắc thủ vận hành khí tài. - Khối tạo nhiệu: Tạo ra các dạng nhiễu tương ứng với lệnh từ khối điều khiển. - Khối biến đổi tần số: Biến đổi tín hiệu nhiễu thành tín hiệu cao tần từ 30 đến 100 MHz theo lệnh của khối điều khiển, thực hiện trên công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp bảo đảm thời gian xác lập nhỏ nhất. Trong quá trình thiết kế chế tạo khí tài nhóm nghiên cứu đã tính toán trên lý thuyết cộng với việc thử nghiệm thực tế và đã đưa ra được chu trình trinh sát gây nhiễu bám của khí tài như sau: Từ chu trình gây nhiễu bám này chúng ta có thể thấy rằng khí tài có khả năng gây nhiễu các đường thông tin nhảy tần lên đến 1000 tần số/giây. 3.3. Kết quả trinh sát, gây nhiễu thông tin nhảy tần cụ thể Hình 4. Sơ đồ thử nghiệm trinh sát, gây nhiễu. Công nghệ thông tin N. A. Tú, N. Đ. Định, “Giải pháp trinh sát và gây nhiễu thông tin nhảy tần tốc độ cao.” 196 Sau khi chế tạo ra mẫu khí tài mang vác trinh sát gây nhiễu có chức năng gây nhiễu các đường thông tin nhảy tần, nhóm nghiên cứu đã triển khai thử nghiệm thực tế trên nhiều thực địa khác nhau và đã thu được kết quả thử như sau: Căn cứ vào bài toán chiến thuật đặt ra là cự ly giữa hai máy thông tin liên lạc tốt nhất ở cự ly là 5 km, từ đó nhóm nghiên cứu đã xây dựng bài toán bằng cách thử nghiệm thực tế là thay đổi cự ly gây nhiễu từ xa vào gần. Trong quá trình thử nghiệm dài ngày cho kết quả cụ thể như hình 4 đó là cự ly gây nhiễu xa nhất bằng cự ly thông tin liên lạc. Kết quả này là tương đương với khí tài nhập ngoại do Hãng PLATH sản xuất. TN-223: Khí tài trinh sát gây nhiễu Đáy 1, đáy 2: Máy thông tin VRU 811 Cự ly thông tin: 5 km, cự ly trinh sát: 4 km, cự ly gây nhiễu: 5 km. Kết quả thử nghiệm thực tế máy thông tin VRU 811 với công suất 50 W làm việc ở chế độ nhảy tần bị gây nhiễu hoàn toàn với sơ đồ bố trí như hình 4. 4. KẾT LUẬN Máy thông tin liên lạc nhảy tần là thiết bị điện tử hiện đại, tín hiệu của nó có khả năng chống nhiễu rất cao. Đối phó hiệu quả với tín hiệu này, thiết bị chế áp cần có những tính năng ưu việt như: khả năng thu chặn, xử lý thông tin thời gian thực trên dải tần rộng, nhận biết mục tiêu với độ chính xác cao và gây nhiễu kịp thời trong khoảng thời gian tồn tại rất nhỏ của tín hiệu. Trong quá trình nghiên cứu khai thác khí tài mới nhóm nghiên cứu đã nắm chắc được nguyên lý hoạt động và làm chủ được công nghệ thiết kế, chế tạo khí tài mang vác hiện đại do Hãng PLATH sản xuất. Từ đó chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra khí tài mới có cùng tính năng như khí tài nhập ngoại với giá thành rẻ hơn rất nhiều và đặc biệt là làm chủ được quá trình bảo đảm kỹ thuật sau này. Qua quá trình thử nghiệm mẫu khí tài do nhóm nghiên cứu thiết kế có kết quả tương đương như khí tài nhập ngoại, cụ thể là có khả năng gây nhiễu các đường thông tin nhảy tần lên đến 1000 tần số/giây. Kết quả nghiên cứu đã được chuyển giao cho tập đoàn viễn thông quân đội Viettel sản xuất thành trang bị để cấp cho toàn quân. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Mai Văn Hoa - Vương Quyền Bác, Frequency Hopping Communications, Nhà xuất bản Công nghệ Quốc phòng - Trung Quốc, 2005. [2]. David Adamy, A first course in Electrinic Warfare, Artech House, 2000. [3]. Thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng khí tài AJAS-20C, Cục Tác chiến điện tử Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018 197 ABSTRACT SOLUTION FOR SURVEILLANCE AND CAUSING NOISE TO HIGH SPEED FREQUENCY JUMPING INFORMATION LINES This paper explores methods of interfering with hopping information lines, exploring some of devices that inflict frequency hopping information at home and abroad. From the results in the laboratory combined with the field trials, This paper presents a solution for the design of receivng and jamming, Information frequency hopping up to 1000 frequencies per second. Keywords: Electronic warfare; Receiving and jamming; Jamming Information frequency hopping. Nhận bài ngày 28 tháng 06 năm 2018 Hoàn thiện ngày 28 tháng 09 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 11 năm 2018 Địa chỉ: 1Trung tâm 80, Cục TCĐT, BTTM; 2Viện Công nghệ thông tin, Viện KH-CN quân sự. *Email: tunguyen021975@gmail.com.