Das Richtstrahlsystem R-905 für die Schweizer Armee

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1 INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1998/1999 Leitung: Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab Divisionär E. Ebert, Unterstabschef Führungsunterstützung Das Richtstrahlsystem R-905 für die Schweizer Armee Referent: B. Rhomberg Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für aufbereitet.

2 5-1 B. Rhomberg Inhalt 1. Einleitung 2. Realisierung des Richtstrahlgerätes 3. Optische Übertragung 4. Ausblick Adresse des Autors: Thomson-CSF Schweiz Informationstechnik und Armee Binzstrasse Folge 1998/ Zürich /3 HAMFU - Seite 1

3 5-2 1 Einleitung Im März 1996 erhielten wir neben vielen anderen potentiellen Anbietern die Ausschreibung für die Richtstrahlsysteme R-905/2 und R-905/8. Die Gruppe Rüstung suchte einen Generalunternehmer, der das ganze System, bestehend aus Richtfunk, Chiffrierung, Multiplexierung und der gesamten Verkabelung anbieten konnte. Seitens der Entwicklung hatten wir grosse Erfahrung auf dem Richtfunkgebiet, sowohl im zivilen als auch im militärischen Einsatz, und einige Kenntnisse auf dem Gebiet der "Verkabelung". Für die Chiffrierung arbeiteten wir schon seit Jahren mit der Firma Omnisec zusammen, die ihrerseits prädestiniert für diese Aufgabe war. Im Projektmanagement haben wir mehrere, grosse Projekte realisiert und uns besonders in der Systemintegration gute Kenntnisse angeeignet. Aus diesen Gründen reizte uns die Aufgabe sehr, dieses System zu realisieren, obwohl die Ansprüche des Kunden in technischer, terminlicher und kommerzieller Hinsicht hoch lagen. Die Grobanforderungen des Kunden an das System waren die folgenden: Mobiles Richtfunkgerät für taktischen Feldeinsatz mit einem maximalen Antennendurchmesser von 600 mm Frequenzbereich 14,6 bis 15,2 GHz mit voller Durchstimmbarkeit Bitrate 2 und 8 Mb/s Verfügbarkeit von besser als 99,8% im schlechtesten Monat bei einer Übertragungsdistanz von 35 km. 4 km Absetzbarkeit zwischen Richtstrahlgerät und Vermittler "Off the Shelf" Unser Problem war, dass wir dieses Gerät nicht "Off the Shelf" hatten. Aus der Hoffnung heraus, dass auch unsere Mitbewerber keine besseren Karten hatten, beschlossen wir, die Bedingung "Off the Shelf" anzunähern durch Einhalten der kurzen Beschaffungsfristen Tiefe Entwicklungs- und Herstellkosten Dieser Weg führte beim Radio über die Anpassentwicklung eines zivilen Gerätes. Für die 4 km Absetzbarkeit hatten wir schon lange eine Lösung mit einer neuartigen, feldtauglichen, optischen Verbindung im Auge, deren Einsatz wir jetzt prüfen konnten. HAMFU - Seite 2

4 5-3 2 Realisierung des Richtstrahlgerätes Als Grundlage der Entwicklung stand uns die Richtstrahlfamilie "MELODIE" der Alcatel zur Verfügung. MELODIE steht für Medium and Low Capacity Digital Equipment und ist eine Familie, die in 14 Frequenzbändern zwischen 1,5 und 58 GHz erhältlich ist. Die Übertragungskapazität liegt zwischen 2x2 und 34 Mb/s. Diese Familie hat folgende Eigenschaften: Modernstes Richtstrahlsystem der Alcatel Hochintegrierter Aufbau (5 ASIC's) Effiziente Modulationsart (4 QAM) Fehlerkorrigierende Übertragungscodes und adaptive Entzerrer Eingebaute Testmöglichkeiten (BITE) Vorbereitet für Netzwerkmanagement Die Outdoor- Unit ist in einem erweiterten Temperaturbereich ( -33 C.. Figur 1 : C ) betriebsfähig. Ein Gerät (nur Outdoor- Unit) aus der MELODIE-Familie. Für einen militärisch taktischen Einsatz fehlen aber einige wichtige Eigenschaften, wie Durchstimmbarkeit der Frequenz: Um das ganze Band abzudecken, braucht man eine Vielzahl von Geräten Militärische Umweltanforderungen: Das zivile Gerät ist für einen fixen Einsatz konzipiert und hat keinen Schutz gegen Schock und Vibration. Der Temperaturbereich der Indoor- Unit ( -10 C..50 C ) ist ungenügend. Elektronische Schutzmassnahmen: Hier ist gar nichts vorgesehen, bei Störungen gelten die üblichen, zivilen Vorschriften, die bei der Konzessionserteilung festgelegt werden. Um die Anforderung des Kunden nach einer uneingeschränkten Tauglichkeit für den taktischen Einsatz zu erfüllen, mussten wir folgende Massnahmen ergreifen: Entwicklung eines abstimmbaren Mikrowellendiplexers 2 unabhängige Lokaloszillatoren mit guter Resistenz gegen Mikrofonie und Temperaturänderungen (Klicks) Regulierbare Sendeleistung Schutz im Empfänger gegen Überpegel HAMFU - Seite 3

5 5-4 Integration der Outdoor- Unit und der Baugruppen der Indoor- Unit des MELODIE in das Richtstrahlgehäuse Integration einer optischen Leitungstrennstelle Bündelschlüsselungsgerät Mikrowellen- Sender/ Empfänger Blockdiagramm des Richtstrahlsystems R-905 Abkürzungen: Chiff Gen: Chiffriergenerator MUX: Multiplexer/Demultiplexer T erm. Mod: T erminal- Modul OLT : Optical Line T erminal Unit MCU: Multiplex- and Control Unit MDU: Modulation/Demodulation Unit IFU: Intermediate Frequency Unit RFU: Radio Frequency Unit LO: Local Oscillator In der Figur 2 sieht man eine Übersicht des Systems R-905, das aus dem Bündelschlüsselungsgerät, dem Sender/Empfänger, dem Bedienterminal und der optischen Verbindung besteht. Dazu kommen noch ein Stativ und verschiedenes Zubehör. Das Bündelschlüsselungsgerät wurde bei der Firma Omnisec entwickelt. Einzig die OLT wurde bei Thomson-CSF Schweiz entwickelt und von Omnisec in das Bündelschlüsselungsmodul integriert. Deshalb gehe ich im Folgenden nur auf die Entwicklung des eigentlichen Richtstrahlgerätes und der optischen Übertragung ein. Vom MELODIE wurden die Baugruppen MCU, MDU, IFU und RFU übernommen. Die Baugruppe MCU (Multiplex- and Control Unit) befindet sich beim MELODIE in der Indoor- Unit und ist nur für einen eingeschränkten T emperaturbereich spezifiziert. Deshalb HAMFU - Seite 4

6 5-5 musste die Baugruppe für unsere Anwendung überarbeitet werden. Das geschah teilweise durch Alcatel- Telspace in Paris, wo das MELODIE entwickelt wurde, und teilweise bei uns. Auf dieser Baugruppe werden im Multiplexer die verschiedenen Dienst- und Steuerkanäle ein- bzw. ausgeschlauft. Weiter befindet sich auf dieser Baugruppe der Haupt- Prozessor, der das Sende-/Empfangsgerät steuert und überwacht und auch die Fernbetriebsbefehle verwaltet und weiterleitet. An die MCU ist auch das Bedienterminal für die lokale Steuerung und Überwachung angeschlossen, das gleichzeitig als Dienstkanalhörer dient. Auf der (Modulator- Demodulator Unit) wird der Datenstrom sendeseitig aufbereitet und in der IFU auf einen Träger bei 1,85 GHz moduliert. Empfangsseitig demoduliert die MDU den Träger bei 840 MHz und regeneriert den Datenstrom. Als Modulationsart dient 4QAM, die Demodulation erfolgt synchron. Die MDU ist eine hoch integrierte Baugruppe: Die komplexen Funktionen der Trägersynchronisation, der Nyquistfilterung, der adaptiven Signal- Entzerrung und - Regeneration sowie der Taktableitung sind in mehreren ASIC's integriert. Diese Baugruppe konnten wir im Wesentlichen unverändert übernehmen. Sämtliche Zwischenfrequenzschaltungen des Senders und des Empfängers befinden sich auf der (Intermediate Frequency Unit). Diese Baugruppe konnten wir unverändert übernehmen. Die (Radio Frequency Unit) wurde für uns vom Hersteller nach unseren Bedürfnissen modifiziert. Da die Hauptfunktion gleich wie im MELODIE blieb, waren nur kleine Anpassungen nötig. Bei der MELODIE- Familie werden die Filter auf die Sende- bzw. Empfangsfrequenz fix eingestellt. Bei R-905 müssen die Frequenzen über das ganze Band frei wählbar sein. Deshalb mussten wir ein abstimmbares Filter entwickeln. Das Filter muss verschiedene Bedingungen erfüllen, wie gute Selektivität bei geringem Verlust, es muss linear über das ganze Band abstimmbar sein und muss stabil über einen weiten Temperaturbereich die Frequenz einhalten. Zu allem kam noch das Ziel dazu, dass es klein, leicht und kostengünstig herzustellen sei. Angesichts der kleinen relativen Bandbreite von weniger als 1% kam nur ein motorisch abstimmbares Hohlraumresonatorfilter in Frage, YIG- Filter haben einen zu grossen Verlust und brauchen dauernd Strom. Das realisierte Filter hatte folgende Eigenschaften: T schebyscheff Filter 4. Ordnung mit 0.1 db Ripple und 2 Polen im Sperrbereich Bandbreite nominal 60 MHz Durchlassverlust 1,5 db Sperrdämpfung typ. 70 db bei ± 150 MHz Ein Vergleich der berechneten und der gemessenen Kurven sowie ein Foto des Filters, bestehend aus Sende- und Empfangsfilter, sind in der Figur 3 dargestellt. HAMFU - Seite 5

7 gmjy^lrt«mpwature=27 MARKER lüidn I M «CENTER»* 8!» «83 Käß ffijt Resultate des realisierten RF- Filters, links oben gerechnet, rechts oben gemessen, darunter Sende- und Empfangsfilter mit Abstimmmotoren und Steuerprint HAMFU - Seite 6

8 Lokaloszillator 2.6 Antenne Figur 4: HAMFU - Seite 7

9 2.7 Gehäuse, Stativ und Stativadapter Verfügbarkeit JZ "3 JZ 0 1 (0 o CA CD SZ CA 3 < «CA à Streckenlänge [km] Figur 5: HAMFU - Seite 8

10 Elektronische Schutzmassnahmen HAMFU - Seite 9

11 Bedienterminal Figur 2.11 Fernbedienung 3 Optische Übertragung 3.1 Grundlage HAMFU - Seite 10

12 Lichtwellenleiter- Kabel und - Stecker HAMFU - Seite 11

13 12-1 Figur 7: Figur 8: HAMFU - Seite 12

14 Zubehör Figur 9: 3.4 Optisches Terminal HAMFU - Seite 13

15 Ausblick HAMFU - Seite 14