Инженер-программист
0,0
рейтинг
13 января в 13:36

Помехи в глобальных навигационных спутниковых системах из песочницы

Эта статья была написана в связи с тем, что в русскоязычном сегменте интернета очень трудно найти подобную информацию, а в англоязычном её следует собирать по крупицам. Я работаю в сфере разработки навигационных приёмников, и, в частности, помехоустойчивых. Эта статья содержит небольшой ликбез о навигации как таковой, о типичном построении приёмников, а также об основных помехах и их влиянии. Если эта тема окажется интересной хабрасообществу, будет написано продолжение о различных методах борьбы с помехами и их эффективности.

Часть 2

Что такое ГНСС?


image

Глобальные навигационные спутниковые системы — сложные радиотехнические системы, предназначенные для определения местоположения, синхронизации шкал времени, задач картографии, точного позиционирования, строительства, сельскохозяйственных задач и многих других. ГНСС состоят из подсистемы космических аппаратов (КА), подсистемы контроля и подсистемы потребителей.

На данный момент полностью функционируют две ГНСС — GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). В стадии развёртывания также находятся системы из ЕС, КНР и Индии.

Особенностью сигналов ГНСС является очень малая мощность на поверхности земли, меньше уровня шума. Это вызвано малой мощностью сигнала, излучаемого с борта космического аппарата (порядка 60 Вт) и большой дальности (примерно 20.000 км). Однако, из-за применения широкополосных сигналов, при помощи корреляционной обработки сигналы с КА можно обнаружить и захватить.

Типовое построение приёмника




Если не вдаваться в подробности (а статья носит именно ознакомительный характер), то приёмник можно изобразить как на картинке выше: антенна, аналоговый и цифровой тракты, а также некий интерфейс и система питания. В задачи антенного тракта входит первичное усиление сигнала и выделение необходимых частотных диапазонов. В аналоговых трактах происходит дальнейшее множественное усиление, селекция (выборка по частотам) и перенос частоты.

В цифровом тракте происходит оцифровка сигнала, с дальнейшей многоканальной обработкой сигналов, где сигналу каждого спутника соответствует свой канал. В современных приёмниках таких каналов насчитывается уже порядка двухсот для возможности одновременной работы со всеми существующими и перспективными ГНСС и системами коррекции. Тут же следует упомянуть, что чаще всего при оцифровке сигнала используется 1-2 бита. Таким образом немного уменьшается отношение сигнал/шум, зато сильно упрощаются корреляторы.

После обнаружения спутников, начинается слежение за ними с последующим решением навигационной задачи, т.е. нахождением координат и смещения часов приёмника.

Какие помехи существуют?


Помехи могут быть как естественного происхождения, так и получаемые в результате деятельности человека. Вторые подразделяются на непредумышленные и организованные. Можно привести следующую краткую классификацию:

1. Помехи, нацеленные на разрушение навигационного сообщения
2. Спуфинг (имитация созвездия спутников)

Помимо этого, первые подразделяются по ширине полосы помехи на широкополосные (полоса частот сравнима с полосой атакуемого навигационного сигнала), а также на узкополосные.

Методы борьбы с этими помехами значительно различаются и для надёжной работы аппаратуры при проектировании следует иметь в виду возможность воздействия всех трёх.

Влияние помех


image

Выше изображен простейший постановщик узкополосной помехи, который можно заказать из Китая за 2000р. Подобное устройство спокойно может ухудшить работу приёмников в радиусе ~50 км, а также полностью обезоружить их в радиусе ~5 км. Это вызвано тем, как именно помехи влияют на приёмник:

1. Появление гармонических искажений в аналоговом тракте приёмника. Это приводит к тому, что вместо одной помехи в полосе частот появляется несколько;
2. При применении 1-2 бит при оцифровке сигнала, узкополосная помеха обрубается по амплитуде до меандра (прямоугольных импульсов) с последующим насыщением спектра гармониками помехами.
3. Происходит срыв слежения за спутниками в петлях слежения за задержкой кода и слежения за фазой несущего колебания.
4. В итоге это приводит к увеличению ошибки при декодировании навигационного сообщения.

В целом, при отсутствии мер по борьбе с помехами, это приводит к следующим эффектам:

1. Потеря слежения за спутниками;
2. Увеличение ошибки при кодовых изменениях;
3. Увеличение ошибки при фазовых измерениях;
4. Уменьшение соотношения сигнал/шум;

В первом случае вред от помех очевиден — пользователь не может определить свои координаты. Последующие факторы значительно ухудшают точность измерения псевдозадержек и псевдодоплеровских смещений частот и, соответственно, собственных координат приёмника. Таким образом, обычные бытовые приёмники не предназначены для использования в сложной помеховой обстановке.

Хорошо, а мне зачем это нужно?


Правильный вопрос. Из-за доступности простых постановщиков помех, как на картинке выше, они становятся всё более и более распространёнными. Существует множество известных случаев, например, когда подавитель на корабле ВМФ США был неправильно нацелен и парализовал жизнь всего города Сан-Диего, нарушив не только навигацию для конечных пользователей, но и системы временной синхронизации вышек сотовой связи, банкоматов и т.д.

Однако для нас, как для конечных пользователей, больший интерес и опасность представляют именно миниатюрные постановщики помех, которые преподносятся, как устройства для сохранения приватности (шапочка из фольги). Или, например, очень часто угонщики автомобилей используют совмещенные подавители ГНСС и мобильной связи для борьбы с умными сигнализациями, отправляющими положение автомобиля и сигнал бедствия диспетчеру и, уже бывшему, владельцу автомобиля.

А как бороться-то?


Об этом я расскажу в следующей части, если эта вызовет интерес. Спасибо за внимание.
@NelSon29
карма
19,2
рейтинг 0,0
Инженер-программист
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (19)

  • +1
    может ухудшить работу приёмников в радиусе ~50 км

    Не опечатка?
    1. Вроде на страницах китайских магазинов у джаммеров указывают радиус действия 10-50 метров.
    2. В этом диапазоне радиоволны распространяются в пределах прямой видимости. Чтобы получить 50 км в теории, это необходимо взобраться на вершину телебашни.
    • +2
      Не опечатка. Падение отношения сигнал/шум на 3 дБ в геодезических приемниках без мер по борьбе с помехой наблюдалось при дальности в 50 км. Полный отказ происходил в радиусе 4-6 км.

      1. Джаммер джаммеру рознь. :) Информация приведена для постановщика с мощностью 128 мВт.
      2. Да, вы правы, речь идет о прямой видимости
      • 0
        Интересно. Т.е. от большой вредности можно пойти в поход в горы, включить там джаммер и радоваться блуждающим в окрестностях туристам.
        • –1
          Когда речь идёт о постановщиках помех и мер по борьбе с ними, всё же между строк подразумеваются некие военные действия со всеми вытекающими, т.е. приёмниками в самолётах, ракетах, артиллерийских снарядах.

          А в горах альпинист вряд ли будет доставать навигационный приёмник, такие люди каждый грамм багажа ценят и ходят с обычными магнитными компасами.
          • +1
            Все знакомые туристы/альпинисты ходят с gps, правда компас тоже обычно есть… не у всех.
          • –1
            «Альпинист» идет к конкретной скале и больше им ничего не надо, а туристы ходят в походы и пользуются очень подробными картами, которых в печатном виде не будет. Сейчас очень часто можно увидеть туристов с солнечными панелями на рюкзаках, повербанками.
    • 0
      даже не десятки метров, а просто единицы
      www.shopkami.com/products/2412-use-in-car-gps-jammer-3-to-6-meters-coverage-1312
  • +2
    Спасибо, интересно, жду продолжения. Кстати, хочу уточнить: описанный в статье метод подавления сигнала действует лишь на какую-то определённую систему глобальной навигации, типа NAVSTAR/GPS, или он универсально «бьёт» по всем, в т.ч. ещё не запущенным?
    • +1
      По всем. В различной мере (из-за особенностей частотного плана и модуляции), но по всем.

      Да и не только по ГНСС, а по любым системам с широкополосными сигналами
      • 0
        Я слышал мнение, что ГЛОНАСС в меньшей степени подвержена возможности заглушить помехами сигнал, чем GPS. Это правда?
        • 0
          Для относительно слабых помех да, ГЛОНАСС является более помехоустойчивым. Однако сильные помехи накрывают все литеры. В целом, частотное разделение каналов в ГЛОНАСС'е приносит больше проблем, чем пользы. Например, именно из-за него долгое время не существовало качественных и дешевых потребительских приёмников.
          • 0
            Ясно, спасибо.
  • 0
    Хотелось бы увидеть продолжение статьи. Интересны не только преднамеренные помехи, но так же различные ПЭМИН, работа в условиях плотной городской застройки.
  • –1
    Человечество по праву претендует на звание галактических идиотов. Столько высотехнологичных систем для выпиливания друг друга…
    • 0
      Будто бы остальные лучше.
      • +1
        Остальные? Инопланетяне что ли?
        • +2
          Вы говорите так, будто их не существует^W^W^W это что-то плохое.
  • 0
    Очень интересно, жду продолжения
  • 0
    Спасибо огромное, очень интересно :)

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.