Введение в ГНСС. Глава 7 - Отказы систем ГНСС.

Глава 7 - Отказы систем ГНСС

Будучи непреднамеренно зашумленными, подмененными или заблокированными, ГНСС сигналы становятся заглушены (даже из-за таких препятствий для прохождения сигналов, таких как плотная городская застройка или лесные массивы), и ГНСС приемник может быть не в состоянии определить свою позицию, направление движения и время (PNT). В следующих разделах этой главы описываются различные варианты помех ГНСС сигналам, а также различные методы снижения подобных помех.

Интерференция (помехи)

К тому времени, когда радиосигналы ГНСС прошли от спутников к приемнику, они имеют очень низкий уровень мощности (в 10-15 раз меньше мощности типичной лампочки). Это делает их чувствительными к помехам от других сигналов, передаваемых в близком частотном диапазоне. Если мешающий сигнал достаточно мощный, приемник не способен обнаружить маломощный сигнал ГНСС. Аналогия: попытка разговаривать в комнате со стереосистемой. Если стерео играет очень громко, невозможно услышать разговор на фоне музыки.

Если сигнал исходит от стороннего источника, такого как неисправное радиооборудование, это называется помехой. Если сигнал намеренно передается в диапазоне частот ГНСС, это называется глушение. 

За последние годы собрано множество документированных случаев непреднамеренных помех, от неисправных телевизоров до других источников высокочастотных сигналов, не имеющих отношения к ГНСС, но влиявших на диапазоны частот ГНСС.

Глушение происходит, когда в полосе частот ГНСС передается сигнал с намерением подавить ГНСС сигналы и не дать приёмникам в зоне действия помехи получить информацию о местоположении, навигации и времени. Враждебные сущности могут пытаться заглушить сигналы ГНСС в местном районе или регионе по целому ряду причин, с конечным намерением сделать сигналы ГНСС невозможными для использования. Хотя это нелегально в большинстве случаев, устройства глушения сверхмалой мощности, также известные как “устройства для обеспечения личной конфиденциальности” доступны к покупке в сети Интернет, и применяются именно для этой цели. Всего лишь один простой глушитель малой мощности может заглушить сигналы ГНСС в пределах большой географической области, ограничивая возможность определения местоположения и времени.

Другой пример интерференции (выше описана внутридиапазонная интерференция) — это помехи по смежной частоте. Некоторые устройства глушения используют высокомощные передатчики для подавления сигналов в смежных с ГНСС диапазонах, ставя под угрозу способность приемника принимать ГНСС сигналы. Приемники ГНСС используют несколько методов защиты от помех и глушения.

Фильтрация сигналов

Первая линия защиты от помех в любой радиочастотной (RF) системе — это фильтрация максимально возможного числа помех.

Высококачественные ГНСС антенны обеспечивают первый слой фильтрации, так как они разработаны для усиления сигнала в диапазоне частот ГНСС и снижения мощности сигналов, которые к этим диапазонам не относятся. ГНСС приемники также имеют фильтры, снижающие мощность внеполосных сигналов, что помогает бороться с помехами в смежных диапазонах. Некоторые усовершенствованные ГНСС приемники содержат инструментарий обнаружения помех и создания фильтров, способных снижать как внутриполосные, так и внеполосные помехи.

Дополнительные навигационные датчики

В случае кратковременных помех дополнительные навигационные датчики, такие как инерциальные измерительные блоки (IMU), одометры или высотомеры, могут помочь приемнику преодолеть короткие периоды сбоя ГНСС. Обсуждение систем, которые используют приемники ГНСС и IMU, называемые ГНСС + инерциальные навигационные системы (ИНС), представлены в главе 6.

Мультичастотные/мультисистемные ГНСС приемники

Мультичастотные приемники также имеют способы противодействия помехам. Например, если помеха в частотном диапазоне L1 в районе 1575 МГц полностью глушит GPS L1, ГЛОНАСС L1, Galileo E1 и BeiDou B1, как правило, возможно продолжить решение задач позиционирования, навигации и синхронизации времени (PNT) по сигналам в диапазонах GPS L2 и ГЛОНАСС L2 в районе 1227 МГц или GPS L5, Galileo E5a и BeiDou B2a в районе 1176 МГц.

Кроме того, некоторые современные гражданские сигналы, такие как GPS L5, Galileo E5a и Galileo E5b предоставляют дополнительные данные для повышения производительности приемников в условиях помех.

Шифрованные сигналы (такие, как сигналы Y-кода и M-кода на частотах GPS L1 и L2) транслируются со спутников нескольких группировок ГНСС, обеспечивая значительную дополнительную устойчивость к помехам и глушению сигналов.

Подробное описание ГНСС сигналов представлено в главе 3.

Помехозащищенные антенны

Антенные системы для защиты от глушения сигнала, состоят из антенн с управляемой диаграммой направленности приема (CRPA) и сложной электроники, используют несколько антенных элементов для управления сигналом, принимаемого с определенного направления. Когда система противодействия помехам обнаруживает помехи с одного направления, она снижает усиление антенны, подобно уменьшению громкости, для этого направления. Это уменьшает мощность принимаемых помех, так что допустимые сигналы ГНСС могут приниматься с других направлений.

На рисунке 51 показаны два автомобиля в зоне действия генератора сигналов ГНСС. Автомобиль справа имеет стандартную антенну, а сигналы ГНСС подавляются глушителем. У транспортного средства слева есть антенна для предотвращения помех, которая блокирует сигнал глушения, чтобы можно было принимать нормальные сигналы от ГНСС.

Рис. 51

Спуфинг (подмена сигнала)

В отличие от помех, когда ГНСС сигнал ухудшается за счет подавления основного сигнала, спуфинг заставляет приемник сообщать неверное местоположение или время, вводя ложный сигнал, который либо создается генератором сигнала, либо является ретрансляцией реального записанного сигнала ГНСС. Кроме того, в отличие от помех и глушения, спуфинг всегда является преднамеренной атакой.

Чтобы затруднить работу ГНСС с помощью спуфинга, злоумышленник передает сигнал с той же структурой и частотой, что и реальный. Сигнал спуфинга контролирует уровень передаваемой мощности, поэтому приемник будет захватывать поддельный сигнал, а не реальный. В поддельном сигнале сообщение изменяется таким образом, чтобы приемник вычислял неверное положение или время. 

Самый эффективный способ защиты от спуфинга — это отслеживание зашифрованного сигнала (например, сигналов Y-кода и M-кода на частотах GPS L1 и L2), который транслируется несколькими группировками ГНСС. Доступ к зашифрованным сигналам ограничен и доступен не всем пользователям, однако существуют методы смягчения последствий, которые можно использовать и с приемниками открытых сигналов. 

Спуфинг сигналов ГНСС сложен и требует использования специального оборудования. Также обычно требуется информация о скорости цели. Сложность спуфинга значительно возрастает, если злоумышленник пытается одновременно подделать более одной частоты или созвездия ГНСС. Таким образом, приемник, который может отслеживать несколько частот и/или несколько созвездий, может использоваться для обнаружения и преодоления возможной попытки спуфинга.

Кроме того, комплексированные навигационные системы, такие как ГНСС+ИНС, могут использоваться для обнаружения и преодоления попытки спуфинга, поскольку сигналы от инерциального измерительного модуля не могут быть подделаны.

Блокировка сигнала

ГНСС приемнику необходима прямая видимость спутников, которые он отслеживает. Если прямая видимость блокируется такими объектами, как здания, деревья, мосты и т.д., приемник не может принимать сигналы от этого спутника. В местах с большим количеством препятствий, например, в центре большого города, здания и сооружения могут блокировать такое количество спутников, что ГНСС приемник не сможет рассчитать свое местоположение или время. 

Одним из решений проблемы блокировки сигнала является отслеживание приемником более одного созвездия. При отслеживании более чем одного созвездия будет доступно больше спутников для передачи сигналов и будет больше шансов найти достаточное их количество для определения местоположения и времени. Использование нескольких навигационных датчиков, таких как IMU, помогает не только устранять перебои в работе, например, из-за блокировки сигнала, но и мгновенно повторно захватывать сигналы ГНСС после сбоя.

Отказ систем ГНСС

Хотя вероятность отказа всей группировки ГНСС крайне мала, приемники, которые могут отслеживать более одного созвездия, обеспечивают защиту от этого маловероятного сценария.

Заключение

Поскольку многие технологии и приложения зависят от данных для определения местоположения, навигации и времени, тема защиты от воздействий на ГНСС становится все более важной. Если вы хотите узнать больше об этих вопросах - свяжитесь со специалистами нашей компании.

Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss