Введение в ГНСС. Глава 7 - Отказы систем ГНСС.

Введение в ГНСС. Глава 7 - Отказы систем ГНСС.
22.03.2021

Глава 7 - Отказы систем ГНСС

Приемник не может выдать информацию о своем местоположении, навигации или времени, потому что сигналы ГНСС недоступны для него из-за помех, спуфинга, блокировки сигнала или сбоя спутниковой системы. Обычно именно это и называют «отказы ГНСС». В следующих разделах описаны причины отказов и методы, используемые для их устранения.

Помехи

К тому времени, когда радиосигналы ГНСС прошли от спутников к приемнику, они имеют очень низкий уровень мощности. 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. Приемники ГНСС используют несколько методов защиты от помех и глушения.

Антенны с системой защиты от глушения

Антенные системы для защиты от глушения сигнала, состоят из антенн с управляемой диаграммой направленности приема 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 рис. 50 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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 50


Если мешающий сигнал имеет узкую полосу пропускания, приемники ГНСС могут защитить от помех, отслеживая несколько частот и несколько созвездий. Например, если помеха находится в диапазоне от 1550 до 1600 МГц, диапазон GPS L1 будет заблокирован. Однако приемник по-прежнему может предоставлять информацию о местоположении, навигации и времени, если он может отслеживать GPS L2 или L5, ГЛОНАСС L2 или Galileo E5. Описание существующих и будущих сигналов ГНСС приведено в главе 3.

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. 

ГНСС 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, сигнала Y-кода на GPS L1 и L2), который транслируется несколькими созвездиями 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 всего созвездия 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 отказа ГНСС и устранения этих отказов 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

Нужна помощь специалиста?
Консультации от ведущих инженеров компании
Подробнее