Автор: д-р Хелена Восс, ведущий инженер-радиотехник компании NavShield Global (15 лет опыта в области защиты систем PNT и проектирования адаптивных антенн). Техническая рецензия: команда радиотехников NavShield.
Сигналы GNSS поступают на антенну с уровнем мощности около -130 дБм — это слабее уровня фонового шума и значительно ниже уровня теплового шума. Такая крайняя уязвимость означает, что даже помехи малой мощности могут легко заглушить приём сигнала, и именно поэтому меры противодействия должны начинаться уже на уровне самого антенного элемента. В данной статье подробно рассмотрены основные методы защиты от помех, обеспечивающие работоспособность навигационных систем в условиях помех, а также рассказывается о том, как компания NavShield Global интегрирует эти средства защиты в надежное аппаратное обеспечение.
Почему GNSS легко подвергается помехам
Уровень сигнала GPS на антенне составляет примерно –130 дБм. Небольшой портативный глушитель, расположенный на расстоянии нескольких километров, может повысить уровень локального шума на 40–60 дБ и перегрузить приемник. Одним лишь программным обеспечением невозможно восстановить сигнал, заглушенный настолько сильно — восстановление должно происходить на этапе радиочастотной обработки, до того как сигнал будет оцифрован. То же самое GNSS с защитой от помех Эта проблема возникает на всех платформах, использующих спутниковую навигацию.
Три основные технологии подавления помех на аппаратном уровне для GNSS
Метод 1 — Адаптивное подавление сигнала (CRPA)
Основной GNSS с защитой от помех Метод заключается в адаптивной обработке массивов. А Антенна CRPA использует несколько элементов и формирователь луча, который определяет направление интерференции и создает в этом направлении нуль. Например, если источник помех находится на 30 градусов выше горизонта, формирователь луча просто размещает нуль под этим углом, в то время как сигналы спутников, расположенных в других местах, продолжают приниматься в полном объеме. Каждый нуль подавляет один мощный источник помех; 8-элементная антенная решетка может подавлять сразу несколько таких источников. Подробности обработки приведены на нашем Страница, посвящённая технологии адаптивного подавления сигнала.
Метод 2 — Фильтрация и коэффициент усиления
Второй уровень защиты использует узкополосные фильтры на основе поверхностных акустических волн и коэффициент усиления обработки с расширенным спектром для подавления внеполосной и некоррелированной энергии. Фильтры подавления помех и полосовые фильтры также устраняют излучатели, такие как базовые станции сотовой связи и радиолокационные станции, которые в противном случае снизили бы чувствительность входного каскада. В сочетании с нулевым подавлением они повышают эффективный запас по отношению «помеха/сигнал» на десятки децибел, обеспечивая приемнику необходимый запас по мощности для продолжения слежения.
Метод 3 — Разнообразие с использованием нескольких групп спутников
Третий уровень защиты использует системы GPS, ГЛОНАСС и Galileo для распределения энергии по большему количеству диапазонов и спутников, в результате чего для обеспечения эффективности устройству-помехогенератору приходится охватывать более широкий спектр. Такая более широкая зона покрытия также увеличивает затраты злоумышленника, поскольку для полного подавления всех отслеживаемых диапазонов требуется гораздо больше мощности, чем для воздействия на один. Схема распределения диапазонов, обеспечивающая такую работу, приведена в нашем Руководство по частотным диапазонам GNSS.
| Техника | Что это добавляет | Предел помех |
|---|---|---|
| Адаптивное подавление сигнала | Пространственное подавление помех | Справляется с несколькими мощными устройствами радиопомех |
| Коэффициент усиления фильтрации и обработки | Блокирует внеполосную энергию | Ослабляет широкополосный шум |
| Разнообразие многоконстелляционных систем | Еще больше групп и спутников | Расширяет зону действия средств радиопомех |
| Перекрестные проверки для защиты от подделки | Исключает ложные сигналы | Предотвращает использование фальсифицированных позиций |
Метод 4 — Перекрёстные проверки для защиты от подделки
Финал GNSS с защитой от помех Система защиты нацелена на борьбу с подделкой сигналов, а не с помехами. Помехи полностью блокируют сигнал, а подделка заменяет его фальшивым. Для защиты необходимы маркеры аутентификации, согласованность углов прихода сигналов и обнаружение аномалий мощности — например, при проверке согласованности углов прихода сигналов направление, из которого, по утверждению каждого сигнала, он исходит, сравнивается с геометрией, фактически измеряемой антенной решеткой, и поддельный сигнал, не соответствующий этим данным, помечается и отбрасывается. Система NavShield Детектор защиты от подделки сигналов GNSS обнаруживает и отсеивает поддельные сигналы, прежде чем они повредят навигационную систему.
Как различные методы сочетаются в цепочке приемников
Эти GNSS с защитой от помех Эти методы не являются взаимоисключающими. В реальной системе передней части цепи предварительные фильтры удаляют явную внеполосную энергию, массив CRPA подавляет самые сильные внутриполосные источники помех, система диверсификации обеспечивает доступность альтернативных сигналов, а проверки на подделку подтверждают достоверность сохранившейся координаты. Среди этих подходов подавление помех выполняет основную работу, но именно весь комплекс мер обеспечивает непрерывную определение местоположения, времени и навигацию (PNT).
Вопросы, которые следует учитывать при развертывании
Выбор размера данного оборудования — это компромисс. Технология нулирования требует затрат на размер, энергопотребление и средства, которые растут пропорционально количеству элементов: конструкция с 2 элементами подходит для БПЛА с ограниченным энергопотреблением, а массив из 8 элементов — для стационарных станций с достаточным запасом энергии. Поскольку подавление происходит на входном уровне РЧ-цепи, оно в значительной степени прозрачно для последующего приемника — те же спутниковые данные проходят через систему, только в более чистом виде, — что позволяет CRPA интегрироваться в существующий навигационный стек без перепрограммирования. Правильный выбор зависит от условий радиопомех и от стоимости потери координат, а не от общего принципа “чем больше, тем лучше”.”
Итог
Четверо GNSS с защитой от помех Эти методы — адаптивное подавление сигнала нуля, фильтрация, разнообразие с использованием нескольких групп спутников и перекрестные проверки для защиты от подделки — работают как единый комплекс. Начнем с Антенный модуль CRPA разработанную для вашей платформы, а затем добавьте механизм обнаружения подделки, чтобы обеспечить полный охват. Информацию о базовой модели угроз см. в Как работает защита от подавления сигнала GNSS на практике.