Автор Тема: Проблемы защиты GPS от помех  (Прочитано 51809 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Oxigen_vrn

  • Administrator
  • Полковник
  • *****
  • Сообщений: 6927
  • Статус: +674/-5
Проблемы защиты GPS от помех
« : Сентябрь 29, 2012, 08:59:12 am »
 Гегемония США, то, чему противостоял в свое время Советский Союз, с его распадом стало реальностью. Отныне, пока единственная реальная сверхдержава, коей в настоящее время являются Соединённые Штаты, диктует или стремится диктовать свои условия на всей территории Земли. На деле это означает, что любое государство, осмелившееся проводить собственную внутреннюю или внешнюю политику, автоматически может попасть в разряд стран-«изгоев», после чего столкновение с американской военной машиной будет вполне вероятно. Причём в этом крайнем случае шансов у свободолюбивого народа остаётся немного – скупленные американцами по всему миру специалисты и учёные создали для армии США самое высокотехнологичное вооружение, осуществили невиданный в истории технологический скачок. Прежде всего это касается автоматизированных систем управления (АСУ) войсками и боевыми действиями, а также широко разрекламированного высокоточного оружия (ВТО). Это дает возможность за короткий срок децентрализовать управление как страной, так и её вооруженными силами, уничтожить основные элементы инфраструктуры противника, его противовоздушную оборону и экономико-промышленный потенциал без значительных собственных потерь. Наиболее яркие примеры такой стратегии – агрессия против Югославии, начало контртеррористической операции в Афганистане. В этих двух операциях более половины применённого оружия было высокоточным. Кадры наиболее удачных моменты его применения были широко растиражированы западными СМИ. Создавалось впечатление, что нет силы, способной остановить ВТО.

Однако на деле оказалось, что это не совсем соответствует истине. ВТО оказалось довольно уязвимым как раз из-за своей высокой технологичности. В этом нет никакого секрета – соответствующие разработки уже давно ведутся у нас и за рубежом. При современной насыщенности армий (в частности армии США) высокоточным оружием, необходимо знать возможные способы противодействия.

В настоящее время военная стратегия стран НАТО ориентирована на использование высокоточного оружия (ВТО), действующего с большого удаления и высоты. Это позволяет альянсу избегать людских потерь. К такому оружию относятся крылатые ракеты, управляемые и самонаводящиеся бомбы.

Не секрет, что большая часть номенклатуры данного ВТО использует в качестве одного из средств определения своего местоположения спутниковую навигационную систему GPS NAVSTAR.

Глушение сигналов GPS

GPS NAVSTAR де факто является стандартом НАТО для всех видов вооружений: кораблей, летательных аппаратов, включая крылатые ракеты и управляемые бомбы, танков и даже отдельных солдат. GPS надежна, имеет дружественный интерфейс, во всех родах войск к ней привыкли и безусловно доверяют. Точность GPS достигает 10 метров, а зона действия - весь земной шар.

Навигационный приёмник предназначен для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров, полученных в результате приёма и обработки радиосигналов от навигационных спутников.

На вход приёмника поступают радиосигналы от спутников, находящихся в зоне радиовидимости потребителя. Для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальность и псевдоскорость относительно минимум 4-х спутников.

Принятый высокочастотный сигнал в радиочастотной части гетеродинируют - переносят на промежуточную частоту, дискретизируют, и в цифровом виде он поступает в коррелятор. В корреляторе в цифровой форме формируются отсчёты синфазных и квадратурных компонент сигнала, которые являются основой для работы алгоритмов поиска сигнала по частоте и задержке, слежения за фазой сигнала и выделения навигационного сообщения.

Отсчёты синфазных и квадратурных компонент сигнала поступают в сигнальный процессор, который, обрабатывая их, формирует значения псевдодальности и псевдофазы, решает навигационную задачу. Помимо этого, коррелятор может формировать измерительную информацию, которая затем будет использована для вычисления псевдодальности и псевдофазы.

США даже пытались внедрить GPS как стандарт Международной организации гражданской авиации (ICAO), но этого не произошло по многим причинам, одной из которых являлась крайне низкая помехозащищенность от простейших помех (технические подробности можно без труда найти в интернете).

Объясняется это применением в GPS фазоманипулированных (ФМ) сигналов. Высокая эффективность простейшей помехи (в виде расстроенной несущей) объясняется появлением биений между несущей ФМ-сигнала и помехой. Биения являются несущей, расположенной между несущей ФМ-сигнала и помехи, промодулированной низкочастотной огибающей. В соседних максимумах биений фаза несущей сдвинута на 180 градусов. Если период огибающей близок к частоте фазовой манипуляции, результирующий сигнал существенно искажается и прием ФМ-сигнала приемником GPS становится невозможным.

В приемнике GPS используется коррелятор, в котором ФМ-сигнал от спутников сворачивается с его копией, имеющейся в приемнике. Такой прием называется "прием в целом". Изложенное выше свойство расстроенной несущей подавлять ФМ-сигнал сохраняется и для «приема в целом».

При проведении эксперимента, проведенного в начале 90-х годов, выяснилось, что помеха в виде несущей на любой частоте в диапазоне 1576-1578 МГц с излучаемой мощностью -95дБ исключает прием сигналов от спутников расположенным поблизости приемником. Это достаточно небольшая мощность помехи. Если пересчитать, то мощности 1 Вт оказывается достаточно, чтобы заглушить сигналы GPS в пределах прямой видимости на расстоянии до 500 км.

Поэтому постановщики помех (ПП) для GPS могут иметь мощность несколько ватт. Зона глушения при этом определяется прямой видимостью и составляет при высоте полета 25 м (Томагавк) до 20 км. Отсюда ясно, что ПП должно быть размещено много.

Противодействие помехам осуществляется в аналого-цифровом преобразователе. Количество уровней квантования для снижения влияния помех в АЦП определяется, в основном, типом помех на входе приёмника. Если основным видом помех является белый гауссовский шум, то возможно применение малоуровневого квантования, вплоть до бинарного. Если помеха узкополосная стационарная, то необходимо большее число уровней квантования.

Согласно исследованиям, потери при применении бинарного квантования в условиях аддитивного белого гауссовского шума не превышают 1 дБ при частоте дискретизации порядка 30...40 МГц. Дальнейшего снижения потерь можно добиться, применяя 3- или 4-уровневое квантование. Однако, принимая во внимание то, что увеличение числа уровней квантования приводит к почти такому же увеличению аппаратных затрат на реализацию коррелятора, применение многоуровневого квантования в условиях, когда на вход приёмника поступает смесь сигнала и белого гауссовского шума, нецелесообразно.

Совершенно иная картина наблюдается при наличии узкополосных стационарных помех.

При наличии взаимных помех однобитное квантование даёт потери порядка 7 дБ, по сравнению с идеальной линейной обработкой (без квантования или с числом уровней, близким к бесконечности). Для компенсации этих потерь применяют более сложные методы квантования, чем однобитное. Как сказано выше, применение большего числа уровней квантования приводит к существенному возрастанию аппаратных затрат на реализацию коррелятора. Компромиссом в этом случае может стать 2-бит квантование.

Некоторые фирмы производят охранные системы для автомобилей, состоящие из приемника GPS и сотового телефона. Работает такая система хорошо: угнанная машина передает свои координаты дежурному. Но на Митинском рынке в Москве продаются миниатюрные коробочки (например, как эта или эта), угонщик кладет такую коробочку в карман и смело идет к намеченной машине – он уверен, что приемник GPS ничего не принимает, поскольку коробочка глушит сигналы американской спутниковой системы GPS, а при прекращении приема этот приемник выдает последнюю информацию еще некоторое время. Определить координаты машины в этом случае можно, только пеленгуя передатчик мобильного телефона. Не стоит ориентироваться на такие охранные системы.

Будут глушить в случае чего любую из систем. Затухание радиолинии в спутниковых системах порядка 170 децибел (сигнал ослабляется в 10 в 17-й степени раз). С круговой орбиты 20173 км к приемнику приходит сигнал порядка -160 децибел, а передатчик мощностью 1 Вт (как у карманного фонарика) создает на расстоянии 20 км при высоте 25 м помеху мощностью -60 децибел. Если разместить глушилки на расстоянии 10-15 км (на весь Ирак понадобилось 1000 ПП) в пространстве создается такая сложная интерференционная картина, что определить, откуда идет излучение невозможно. 6 ПП мощностью по 100 Вт иракцы сделали, чтобы на время «успокоить» американцев. Данные ПП сыграли роль ложных целей и были уничтожены противорадиолокационными ракетами.

Нашу ГЛОНАСС тоже будут глушить, поскольку фирма «Авиаконверсия» продала США постановщик помех и для GPS, и для ГЛОНАСС. Глушили бы и так, но, имея готовый прототип, проще.

Китай также собирается строить свою спутниковую навигационную систему, состоящую из 72 спутников. Надо думать, китайцы учли опыт США в спутниковой навигации и сделают настоящую боевую систему.

Противодействие американцев глушению GPS

Сегодня GPS борьба с помехами идет в направлении:

-Формирования нулей в диаграмме направленности в заданных направлениях прихода помех;
-Пространственно-временной адаптивной обработки.

После 2016 г:
- Смена кода сигнала в больших пределах. Сейчас на все приемники внедряется Selective Availability Anti-Spoofing Module (SAASM). Но новые передатчики SAASM (спутники) запустят только после 2016 г.

Мощные одиночные ПП (более 100 Вт) не так страшны для GPS, как много маломощных. Мощные ПП будут пеленговать и уничтожать с помощью ПРЛР HARM.

 Первый метод борьбы - кодирование сигнала. С 1999 года (агрессия против СРЮ) американцы судорожно пытаются улучшить помехозащищенность GPS, применяя все более сложные коды и засекречивая их (Познавательное видео про GPS (военный и гражданский приемники). Однако,  во-первых, все определяется энергетикой и базой сигнала, во-вторых, во многих странах есть радиотелескопы, на выходе антенн которых сигнал очень хорошо виден над собственными шумами приемника. Запиши этот сигнал – получишь самый секретный код. В ряде случаев можно обойтись и обычной телевизионной «тарелкой».

Другим методом является построение антенной решетки и уменьшение коэффициента усиления антенны в направлении ПП. Конечно, если ПП много, управляемая решетка не поможет - она не будет принимать ничего.

Третьим методом борьбы с глушением сигналов GPS предлагается адаптивная узкополосная режекторная фильтрация. При этом на входе коррелятора ставится самонастраивающийся узкополосный фильтр, не пропускающий несущую помехи в коррелятор. Этот метод сложен в реализации и не работает, если много ПП работают на разных частотах в пределах 1576-1579 МГц. Одну частоту режекторный фильтр еще может задержать, а если частот много, приемник ничего не примет. "Много" - имеется в виду более 3.

Эксперименты показали, что ПП, размещенные на земле, достаточно эффективны. Если разместить на земле много (500-1000) ПП, работающих на разных частотах, на расстоянии 10-20 км друг от друга, то запеленговать невозможно ни одного ПП, поскольку в пространстве создается сложная интерференционная картина, меняющаяся из-за расстройки частот и нестабильности частот даже при кварцевой стабилизации. Поэтому для защиты от оружия, управляемого с помощью GPS, следует разработать ПП, работающие на разных частотах в диапазоне 1576-1579 МГц, размещаемые на земле и на воздушных шарах.

Учитывая это, в США создается система GPS третьего поколения. 12 июля 2007 года структура ВВС США под названием «крыло GPS» (Global Positioning System Wing) представила тактико-техническое задание на систему, которая будет призвана обеспечить абсолютные лидерство и независимость США в предоставлении так называемых «координатно-временных сервисов» пользователям во всем мире в условиях конкуренции с потенциальными соперниками. Документ появился с задержкой — ранее его планировалось предоставить к 6 апреля 2007 года. Первая информация об архитектуре системы и ее возможностях начала появляться в печати. По заявлению космического командования США, система будет развертываться поэтапно. Развертывание первого эшелона системы из восьми спутников GPS IIIA начнется в 2013 году. Впоследствии группировка будет дополнена восемью усовершенствованными спутниками GPS IIIB, а затем — шестнадцатью еще более совершенными спутниками GPS IIIC. Уже первый эшелон системы позволит улучшить точность, надежность и помехозащищенность пользовательских измерений — в первую очередь, за счет повышенной мощности излучаемого сигнала. Станет возможным «очаговое» изменение точности позиционирования за счет узконаправленной передачи М-сигнала. Это также повысит помехозащищенность системы. Спутники будут оснащены комплексом средств межспутниковых измерений и передачи данных, что позволит одномоментно обновлять информацию на всех спутниках группировки с одной наземной станции управления. Аналогичным комплексом, судя по представленной на ГЛОНАСС-форуме информации, планируется оснастить и российские спутники системы ГЛОНАСС, которая должна выйти на соизмеримый с GPS уровень точности и надежности. Предполагается обновить пользовательскую аппаратуру, а также сегмент управления системой — США все больше зависят от бессбойного функционирования группировки GPS. В настоящее время Boeing выполняет заказ на производство 12 спутников GPS IIF, первый из которых должен был быть передан заказчику в 2008 году.

Глушение сигналов навигационной системы Loran-C

Американцы понимают, что главный принципиальный недостаток их GPS - низкая помехозащищенность - неустраним. Поэтому для повышения надежности навигации они производят совмещенные приемники GPS/Loran-C или совмещают GPS с инерциальными системами. Точность Loran-C не превосходит 200 метров, поэтому совмещенные приемники GPS/Loran-C устанавливаются только на самолетах и вертолетах.

Кроме того, большей точности для пуска ракеты воздух-земля или сброса управляемой бомбы пилоту и не надо, цель он или не видит, или она дана ему в координатах GPS. Поэтому при противодействии важно оставить пилота без радионавигационной информации GPS. Глушить Loran-C гораздо сложнее, чем GPS. Во-первых, система сертифицирована как международная и глушение ее сигналов вне национальной территории может привести к излишним международным осложнениям. Кроме того, длина волны Loran-C составляет 3000 м. Антенны и другое оборудование для излучения на такой длине волны весьма громоздки и дорогостоящи. В принципе, в настоящее время имеются предпосылки к разработке магнитных антенн или антенн, в которых электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля формируются отдельно. Например, в Египте построена антенна высотой всего 7,5 м на длину волны порядка 300 м. Но, тем не менее, это до сих пор технически трудная задача.

Американцы не рассчитывают на GPS как на панацею, поэтому они используют комплексные навигационные системы TERCOM, а теперь DSMAC. Эти системы включают в себя инерциальные средства, обладающие средней точностью, корреляционные навигационные приемники, ориентирующиеся по рельефу местности, телевизионные системы, узнающие образ цели, и так далее.
http://чввауш.рф/publ/professionalnoe/aviatekhnika/problemy_zashhity_gps_ot_pomekh/10-1-0-27