Эта статья была написана в связи с тем, что в русскоязычном сегменте интернета очень трудно найти подобную информацию, а в англоязычном её следует собирать по крупицам. Я работаю в сфере разработки навигационных приёмников, и, в частности, помехоустойчивых. Эта статья содержит небольшой ликбез о навигации как таковой, о типичном построении приёмников, а также об основных помехах и их влиянии. Если эта тема окажется интересной хабрасообществу, будет написано продолжение о различных методах борьбы с помехами и их эффективности.

Что такое ГНСС?

Глобальные навигационные спутниковые системы — сложные радиотехнические системы, предназначенные для определения местоположения, синхронизации шкал времени, задач картографии, точного позиционирования, строительства, сельскохозяйственных задач и многих других. ГНСС состоят из подсистемы космических аппаратов (КА), подсистемы контроля и подсистемы потребителей.

На данный момент полностью функционируют две ГНСС — GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). В стадии развёртывания также находятся системы из ЕС, КНР и Индии.

Особенностью сигналов ГНСС является очень малая мощность на поверхности земли, меньше уровня шума. Это вызвано малой мощностью сигнала, излучаемого с борта космического аппарата (порядка 60 Вт) и большой дальности (примерно 20.000 км). Однако, из-за применения широкополосных сигналов, при помощи корреляционной обработки сигналы с КА можно обнаружить и захватить.

Типовое построение приёмника

Если не вдаваться в подробности (а статья носит именно ознакомительный характер), то приёмник можно изобразить как на картинке выше: антенна, аналоговый и цифровой тракты, а также некий интерфейс и система питания. В задачи антенного тракта входит первичное усиление сигнала и выделение необходимых частотных диапазонов. В аналоговых трактах происходит дальнейшее множественное усиление, селекция (выборка по частотам) и перенос частоты.

В цифровом тракте происходит оцифровка сигнала, с дальнейшей многоканальной обработкой сигналов, где сигналу каждого спутника соответствует свой канал. В современных приёмниках таких каналов насчитывается уже порядка двухсот для возможности одновременной работы со всеми существующими и перспективными ГНСС и системами коррекции. Тут же следует упомянуть, что чаще всего при оцифровке сигнала используется 1-2 бита. Таким образом немного уменьшается отношение сигнал/шум, зато сильно упрощаются корреляторы.

После обнаружения спутников, начинается слежение за ними с последующим решением навигационной задачи, т.е. нахождением координат и смещения часов приёмника.

Какие помехи существуют?

Помехи могут быть как естественного происхождения, так и получаемые в результате деятельности человека. Вторые подразделяются на непредумышленные и организованные. Можно привести следующую краткую классификацию:

1. Помехи, нацеленные на разрушение навигационного сообщения
2. Спуфинг (имитация созвездия спутников)

Помимо этого, первые подразделяются по ширине полосы помехи на широкополосные (полоса частот сравнима с полосой атакуемого навигационного сигнала), а также на узкополосные.

Методы борьбы с этими помехами значительно различаются и для надёжной работы аппаратуры при проектировании следует иметь в виду возможность воздействия всех трёх.

Влияние помех

Выше изображен простейший постановщик узкополосной помехи, который можно заказать из Китая за 2000р. Подобное устройство спокойно может ухудшить работу приёмников в радиусе ~50 км, а также полностью обезоружить их в радиусе ~5 км. Это вызвано тем, как именно помехи влияют на приёмник:

1. Появление гармонических искажений в аналоговом тракте приёмника. Это приводит к тому, что вместо одной помехи в полосе частот появляется несколько;
2. При применении 1-2 бит при оцифровке сигнала, узкополосная помеха обрубается по амплитуде до меандра (прямоугольных импульсов) с последующим насыщением спектра гармониками помехами.
3. Происходит срыв слежения за спутниками в петлях слежения за задержкой кода и слежения за фазой несущего колебания.
4. В итоге это приводит к увеличению ошибки при декодировании навигационного сообщения.

В целом, при отсутствии мер по борьбе с помехами, это приводит к следующим эффектам:

1. Потеря слежения за спутниками;
2. Увеличение ошибки при кодовых изменениях;
3. Увеличение ошибки при фазовых измерениях;
4. Уменьшение соотношения сигнал/шум;

В первом случае вред от помех очевиден — пользователь не может определить свои координаты. Последующие факторы значительно ухудшают точность измерения псевдозадержек и псевдодоплеровских смещений частот и, соответственно, собственных координат приёмника. Таким образом, обычные бытовые приёмники не предназначены для использования в сложной помеховой обстановке.

Хорошо, а мне зачем это нужно?

Правильный вопрос. Из-за доступности простых постановщиков помех, как на картинке выше, они становятся всё более и более распространёнными. Существует множество известных случаев, например, когда подавитель на корабле ВМФ США был неправильно нацелен и парализовал жизнь всего города Сан-Диего, нарушив не только навигацию для конечных пользователей, но и системы временной синхронизации вышек сотовой связи, банкоматов и т.д.

Однако для нас, как для конечных пользователей, больший интерес и опасность представляют именно миниатюрные постановщики помех, которые преподносятся, как устройства для сохранения приватности (шапочка из фольги). Или, например, очень часто угонщики автомобилей используют совмещенные подавители ГНСС и мобильной связи для борьбы с умными сигнализациями, отправляющими положение автомобиля и сигнал бедствия диспетчеру и, уже бывшему, владельцу автомобиля.

А как бороться-то?

Об этом я расскажу в следующей части, если эта вызовет интерес. Спасибо за внимание.