Экспериментальная проверка помехозащищенности американской спутниковой навигационной системы GPS.
Экспериментальная проверка
помехозащищенности американской спутниковой навигационной системы GPS.
Канд. биологических наук
М.П.Иванов, д-р техн. наук В.В.Кашинов
Экспериментальная
проверка помехозащищенности навигационной системы, использующая
фазоманипулированные (ФМ) сигналы показала, что GPS подвержена элементарной
организованной помехе. В качестве помехи используется моночастотный сигнал по
частоте близкий к несущей ФМ-сигнала. В результате между несущей сигнала и
помехой возникают биения, что приводит к искажениям суммарного сигнала,
делающего невозможным его прием коррелятором.
В
американскойспутниковойнавигационнойсистемеGPS NAVSTARиспользуются
фазоманипулированные (ФМ) сигналы [1], считавшиеся наиболее помехозащищенными
[2].Вовремени ФМ сигнал представляет собой синусоиду, фаза которой в заданные
моменты времени меняется на противоположную. В приемнике GPS осуществляется
приемпосылки,когда1битпередается с помощью1024элементарныхФМ-посылок,
т.е.применяется коррелятор,сворачивающийимеющуюсявприемнике копию с принимаемым
сигналом, т.е. осуществляетсяприем1024 элементов в целом [3].
В
статье [4] рассматривается несколькодругой вариант- помехоустойчивость
поэлементного приема фазоманипулированных сигналов на фоне наиболее
неблагоприятных помех. Другими словами, вариационными методами синтезирована
оптимальная помеха поэлементному приему фазоманипулированного сигнала. В этойжестатье
показано, что активная помеха в виде расстроенной несущей при определенных
условиях практически (разница менее 1%) эквивалентна оптимальной помехе. Этот
факт можно объяснить возникновением биений между несущей ФМ-сигнала и несущей
активной помехи. Формула (1) является формулой суммы синусов
Asinw
t + Asin(w +D w )t = 2Acos(D w /2)tсos(w +D w /2)t, (1)
где
A v амплитуда сигнала; w - частота несущей ФМ-сигнала; D w - расстройка несущей
активной помехи относительно частоты сигнала. Поскольку проще немодулированнойнесущей
активную помеху представить себе трудно, то представляется важным исследовать
эффективность приема ФМ-сигнала в целом при наличии активной помехи в виде
расстроенной несущей, аналогично предложению статьи [3].
Полоса
пропускания входных цепей коррелятора не может быть уже величины примерно 1/t ,
где t - длительность элементарной посылки ФМ-сигнала. А для увеличения точности
измерения времени прихода полоса пропускания должна быть больше. Если в
пределах полосы пропускания входных цепей коррелятора GPS окажется помеха в
виде немодулированной несущей, между ФМ-сигналом и помехой возникнут биения
(1), представляющие собой несущую частоту, расположенную между частотой
ФМ-сигнала и частотой помехи. Эта несущая оказывается промодулированной по
амплитуде частотой, равной разности частот ФМ-сигнала и помехи, а фаза в
соседних максимумах биений сдвинута на 180 градусов (Рис.1). При расстройке
частоты на величину порядка 1/t фаза меняется примерно так, как у исходного
ФМ-сигнала. В результате сложения ФМ-сигнала и помехи получится сигнал, далекий
от исходного ФМ-сигнала, поэтому на выходе коррелятора сигнальная компонента
будет значительно подавлена. В результате работа GPS в радиусе действия станции
помех (примерно прямая видимость) нарушится. Для проверки данного
теоретического предположения был проведен эксперимент.
Сигнал
манипуляции
Фазоманипулированный
сигнал
Суперпозиция
сигнала и помехи
Рис.1
Методика эксперимента
Для
проведения эксперимента был взят серийный приемник фирмы ?ASHTECH¦ типа OEM
?Sensor¦ (12 канальный, одночастотный F0 =1575,42 МГц с открытым C/A
кодом), программное обеспечение ver.1E11DRP. Антенна GPS (самолетная) P/N AT
575-12, фирмы ?Aero Antenna Technology Inc.¦ с типовым кабелем длиной 10м.
Антенна располагалась на высоте 15м над землей. В качестве передатчика активной
помехи использовался высокочастотный генератор стандартных сигналов типа Г4-78,
максимальная выходная мощность на выходе 0,0001Вт; выходной аттенюатор от 0дБ
до -130дБ; генерация непрерывная, суммарная максимальная погрешность установки
частоты генератора по шкале 0,2%. Антенной передатчика служил полуволновой
вибратор, расположенный на высоте 1м. Расстояние между антенной передатчика
помех и приемника GPS изменялось от 0 до 200м. Для индикации использовалась IBM
PC с программой приема, отображения, регистрации и управления для приемника
GPS-ashmono.exe.
Результаты эксперимента
1.
При работе передатчика помехи (ГСС) на мощности 0,0001Вт при введенном
аттенюаторе -14дБ в диапазоне частот от 1576МГц до 1579МГц приемник не
захватывал ни одного из видимых спутников GPS. При выключении активной помехи
(ГСС) приемник GPS принимал сигналы и обрабатывал информацию от 5 спутников
(Рис.2).
2.
При настройке ГСС в пределах 1575МГц до 1576МГц при выведенном аттенюаторе
мощность принимаемого от спутников сигнала падала, а работа приемника GPS была
ненадежной.
4.
Перемещение передатчика помех в отрицательные углы обзора антенны приемника
GPS не сказывается на эффективности глушения сигналов GPS.
5.
Пересчет энергетики радиолинии показывает, что при мощности передатчика помех
порядка 1Вт дальность глушения в свободном пространстве может достигать 500км.
Следует
иметь в виду, что эксперименты проводились с одним типом приемника GPS.
Зависимость количества принимаемых
спутников от частоты помехи
Зависимость
количества принимаемых спутников от уровня мощности помехи
Рис.2. Приемник фирмы ?ASHTECH¦ типа OEM ?Sensor¦ (12 канальный,
одночастотный F0 =1575,42 МГц с открытым C/A кодом), программное
обеспечение ver.1E11DRP. Антенна GPS (самолетная) P/N AT 575-12, фирмы ?Aero
Antenna Technology Inc.¦ - длина кабеля 10м.
Выводы
1.
Из-за сильной зависимости от простейших организованных помех в виде
расстроенной несущей использование GPS в ряде случаев окажется невозможным.
Причем, в обоих (гражданском и военном) каналах. При этом для глушения ни
гражданского, ни военного канала знать коды ФМ-сигналов не требуется.
2.
Поскольку фазоманипулированные сигналы используются во многих других системах,
а помехозащищенность их к узкополосной помехе практически отсутствует, весьма
актуальным является разработка метода построения системы сигналов, обладающих
повышенной помехозащищенностью к ансамблю помех.
Список литературы
1.
ЯрлыковМ.С. Статистическая теория радионавигации //М.: Радио и связь, 1985.
2.
ТузовГ.И.,СивовВ.В.,ПрытковВ.И. и др. Помехоустойчивость радиосистем со
сложными сигналами //М.: Радио и связь, 1985.
3.
ФинкЛ.М. Сигналы, помехи, ошибки... Заметки о некоторых неожиданностях и
заблуждениях в теории связи //М.: Радио и связь, 1984.
4.
ОвчаренкоЛ.А.,ПоддубныйВ.Н. Помехоустойчивость приема фазоманипулированных
сигналов на фоне наиболее неблагоприятных помех // Радиотехника, 1992, ¦ 7-8,
с.13-19.