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.
3. Наибольшее воздействие на приемник оказывает организованная помеха в диапазоне частот от 1576МГц до 1579 МГц.
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.