Abstract The primary mission of the Finnish Air Force is to ensure a continuous surveillance and policing of the national airspace. The wartime mission is defensive counter-air fighter operations. Implementation of the air surveillance is carried out mainly with air surveillance radars – policing and defensive actions with fighters. A foundation to a well-executed flight operation is a situation awareness. Pilots have to have a real time air picture in their use, i.e., exact information of the own and enemy’s fighters, and instructions of the mission command. The later has to have information for example about the remaining flight time of the fighters. To keep up the situation awareness the fighters participating the flight operation and the mission command on the ground are connected via real time robust communications system. In this thesis, the system development of the experimental SIHTI (Suomen ilmavoimien hajaspektritietovuo) spread spectrum data link fulfilling the national requirements is considered from the requirement specification to the performance measurements of the airproof prototype. The SIHTI system, which has to be secure, robust and having good LPD/LPI (Low Probability of Detection/Low Probability of Interception) properties has to enable bidirectional transmission between fighters and base stations as well as the fighters themselves. The SIHTI system has to operate in the case when many of similar nets are operating simultaneously in the same region and under heavy jamming. The system concept and its implementation has to be configurable so that an end user and a maintenance of the system can affect on the performance of the system only via parameters and changes in algorithms. In this thesis, it will be shown that the experimental SIHTI prototype with minor changes can fulfil the set requirements. / Tiivistelmä Suomen ilmavoimien perustehtävä on kansallisen ilmatilan jatkuva valvonta ja vartiointi sekä sodan aikana ilmatilan puolustus. Ilmatilan valvonta hoidetaan pääasiassa ilmavalvontatutkilla – vartiointi ja puolustus sotilaskoneilla. Sotilaskoneiden tehokkaan toiminnan edellytyksenä on tilannetietoisuus. Lento-operaatioon osallistuvilla tahoilla tulee olla käytettävissä ajan tasalla oleva ilmatilannekuva eli tarkat tiedot omista ja vastapuolen koneista, taistelujohdon toimintaohjeet sekä tietoa muun muassa operaatioon osallistuvien koneiden jäljellä olevasta toiminta-ajasta. Tilannetietoisuuden ylläpitäminen edellyttää, että lento-operaatioon osallistuvia lentokoneita ja maassa olevaa taistelujohtoa yhdistää reaaliaikainen varmatoiminen tiedonsiirtoyhteys. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kansallisen sotilasilmailun tarpeet täyttävän lentokelpoisen SIHTI (Suomen ilmavoimien hajaspektritietovuo) -hajaspektritiedonsiirtokoejärjestelmän järjestelmäkehitystä aina vaatimusmäärittelystä lentokelpoisen koelaitteiston suorituskykymittauksiin. Turvallisen, varmatoimisen ja vaikeasti tiedusteltavan tiedonsiirtojärjestelmän tulee mahdollistaa niin lentokoneiden kuin lentokoneiden ja maa-asemien välinen kaksisuuntainen sanomansiirto useiden lähekkäin toimivien verkkojen tapauksessa hyvinkin voimakkaassa tahallisessa häirinnässä. Tiedonsiirtojärjestelmässä ja sen toteutuksessa tulee olla myös riittävä määrä muunneltavuutta, jotta järjestelmän loppukäyttäjä ja järjestelmän ylläpitäjä pystyvät parametri- ja algoritmimuutoksin vaikuttamaan järjestelmän suorituskykyyn. Väitöskirjassa osoitetaan, että FH/DS-CDMA (Frequency Hopping / Direct Sequence Code Division Multiple Access)- ja TDMA (Time Division Multiple Access) -monikäyttömenetelmiin pohjautuva SIHTI-koejärjestelmä pystyy pienin muutoksin täyttämään sille asetetut vaatimukset.

In this report metrics for jamming resistance and radar performance of waveform sets are described and developed, and different sets of waveforms are optimized, evaluated and compared. It is shown that without additional processing or PRI jitter, waveform sets can reach jamming resistance a few dB worse than what is provided by PRI jitter alone, and together with PRI jitter a few dB better. Waveforms with better jamming resistance tend to have worse range sidelobes and Doppler tolerance, but show less structure in their spectrograms, suggesting better LPI properties. The Doppler tolerance metric is new, as well as the comparative analysis of waveform sets on multiple metrics including jamming resistance. / Radar är fundamentalt i modern krigsföring. Med en radar kan man avfyra vapen från säkra avstånd och med precision mäta in mål. En radarstörare har som mål att förhindra en radar från att mäta in sitt mål. Då radarn fungerar genom att sända ut specifikt modulerade radiovågspulser och lyssna efter ekot från omgivningen kan störaren förhindra detta genom att antingen sända mycket starkt brus, eller genom att sända radiovågspulser med samma specifika modulation. Den senare metoden kallas för DRFM-störning, där förkortningen står för Digitalt RadioFrekvens-Minne, vilket antyder att störaren kan minnas radarns modulation och själv använda den. Om radarn använder en ny modulation (eng: waveform) för varje puls kan störaren inte använda modulationen den minns från förra pulsen utan måste vänta på att nästa puls träffar den innan den kan repetera pulsen, vilket begränsar dess störförmåga. Denna rapport tänker sig att radarn har en begränsad uppsättning av modulationer att byta mellan, och undersöker olika sådana uppsättningar och bedömer och jämför dem på olika mått av radarprestanda och störtålighet. Radioprestandamåtten inkluderar hur mycket förstärkning och hur fin upplösning man får av modulationen, hur väl modulationen kan hantera mycket snabba mål, och hur stora "sidolober" som uppstår runt starka mål. Sidolobsfenomenet är jämförbart med det optiska fenomenet där små men ljusstarka saker på natten kan se ut att ha en ljus halo eller ljusa utstrålningar runt sig. Störtålighetsmåtten kvantifierar hur distinkta de olika modulationerna i radarns uppsättning är, och på så vis hur väl radarn kan urskilja en modulation från de andra, tillsammans med hur liten sannolikheten är att störaren lyckas välja just den modulation vi kommer använda till nästa puls. Resultaten visar att metoden av modulationsbyten kan ge nästan lika stor störtålighet som en välkänd metod, PRI-jitter, ger själv och något högre i kombination med den metoden. Bättre störtålighet visas gå hand i hand med sämre mått på radarprestanda, men mindre strukturerade spektrogram vilket antyder att de kan vara svårare att upptäckas av radarspanare. Försämringen i måtten på radarprestanda innebär inte nödvändigtvis en lika stor försämring i faktisk radarprestanda, då sidoloberna tar an en brusartad karaktär vilket leder till praktiska fördelar gentemot de vanliga fixa sidoloberna.