Экспериментальное исследование влияния портативного источника преднамеренных радиопомех на геодезические измерения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем
Экспериментальное исследование влияния портативного источника преднамеренных радиопомех на геодезические измерения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем
Аннотация
В статье представлены результаты экспериментального исследования влияния портативного источника преднамеренных радиопомех на работоспособность современной спутниковой геодезической аппаратуры (СГА). Целью работы является определение реального радиуса эффективного воздействия устройства и сравнительный анализ информативности выходных метрик приёмника для детектирования маскирующей заградительной и имитационной помехи. Методика полевых испытаний предусматривала поэтапное сближение источника маскирующей заградительной помехи (EaglePro «Метель-PRO») с многочастотным геодезическим приёмником M68G на дистанциях от 400 до 0 м с непрерывной регистрацией параметров отношения сигнал/шум (SNR), кодово-фазовых псевдодальностей и расчётного параметра многолучевости. Установлено, что фактическая зона эффективного воздействия многократно превышает заявленные производителем 10 м: полный срыв слежения за сигналами L1/G1/E1/B1 фиксируется на дистанциях до 50 м, а деградация SNR и возникновение аномалий в измерительных данных наблюдаются вплоть до 200–400 м. Доказано, что соотношение сигнал/шум (SNR) не обеспечивает достоверного обнаружения воздействия на расстояниях свыше 100 м, оставаясь в пределах естественных флуктуаций. В качестве наиболее информативного индикатора предложен параметр многолучевости, демонстрирующий высокую чувствительность к фазовым искажениям приёмного тракта даже для частотных каналов, не являющихся прямой целью подавления. Экспериментально подтверждено, что многочастотная архитектура СГА не гарантирует устойчивости работоспособности при сближении с источником помех менее чем на 50 м, а на дистанциях 10–20 м приводит к необратимой деградации и полной потере навигационного решения независимо от количества используемых частотных диапазонов. Полученные данные обосновывают необходимость внедрения алгоритмов мониторинга многолучевости для раннего выявления маскирующей заградительной помехи, а также могут быть использованы при разработке протоколов защиты высокоточных геодезических измерений и совершенствовании помехоустойчивых приёмных трактов ГНСС-аппаратуры.
1. Введение
Спутниковые навигационные системы (ГНСС) являются критически важным элементом современной инфраструктуры, обеспечивая функционирование геодезического производства, беспилотных авиационных систем, транспорта и систем синхронизации времени. Однако в настоящее время наблюдается рост количества инцидентов, связанных со сбоями в работе спутниковой геодезической и навигационной аппаратуры. Основная причина данного явления — широкое распространение устройств преднамеренного подавления спутниковых навигационных сигналов. В публицистической и научной литературе такие средства часто обозначаются терминами «глушилки» или «джаммеры» (от англ. jammers)
, , . Несмотря на законодательные ограничения на оборот специальных технических средств, данные устройства доступны на рынке радиоэлектронной техники. При этом заявленные в паспортах технические характеристики часто не соответствуют реальным условиям распространения радиоволн на местности . Их неконтролируемое использование приводит к сбоям в работе приемной аппаратуры, потере точности позиционирования и полному отказу навигационного поля .На текущем этапе в гражданском сегменте представлен широкий спектр технических средств, предназначенных для формирования помеховой обстановки. Классификация данных устройств по характеру воздействия на навигационное поле (НАП) выделяет два основных класса: средства создания маскирующих заградительных (jamming) и имитационных помех (spoofing). Принцип их действия заключается в формировании шумового излучения, спектральная ширина которого превышает полосу пропускания приемного тракта целевой аппаратуры. Это обеспечивает подавление полезного сигнала по мощности во всем рабочем частотном диапазоне, снижая отношение сигнал/шум ниже порога обнаружения
. Преимущественное использование средств постановки маскирующих заградительных помех обусловлено следующими факторами:1. Данный вид помех создает шумовой фон, затрудняющий или делающий невозможным обнаружение полезного навигационного сигнала
.2. Заградительный тип помех воздействует на широкий диапазон частот одновременно, создавая обширный квазибелый шумовой фон, который охватывает множество каналов или весь спектр, используемый системами ГНСС
, .3. Данные устройства не требуют точной информации о параметрах целевой системы, что делает их универсальными, так как вся необходимая информация для формирования спектра находится в открытых источниках
.При этом влияние на геодезическое производство вырежется в снижении точности позиционирования и увеличения трудозатрат: заградительные помехи срывают фазовые слежения, делая невозможным выполнение работ в режиме статика и кинематика, а имитирующие — создают риск полной отбраковки выполненных наблюдений уже на камеральном этапе
. В следствии чего инженерам приходится выполнять повторные измерения и при этом применять альтернативные традиционные методы, что существенно повышает себестоимость работ.В научной литературе представлено значительное количество работ, посвященных как моделированию воздействия помех на приемники ГНСС, так и полевым испытаниям
, , . Однако большинство исследований ограничивается анализом изначальных сигналов L1 C/A группировки GPS или L1 ГЛОНАСС , . Теоретически, архитектура современных многочастотных приемников ГНСС, поддерживающих сигналы различных частотных диапазонов (G3, E5a+b, E6, B2I/b, B2a, B3 и др.), должна обеспечивать повышенную устойчивость к помеховым воздействиям за счет частотного разделения. Предполагается, что такие приемники сохранят работоспособность при воздействии маскирующих заградительных помех, локализованных в узких частотных полосах (например, исключительно в диапазонах L1 GPS и ГЛОНАСС), благодаря возможности обработки сигналов на незатронутых частотных каналах. Однако эмпирическая база, описывающая поведение приемной аппаратуры в условиях воздействия доступных коммерческих средств постановки помех, остается недостаточной. Вопросы проведения полевых экспериментов на современных модулях с задействованием полного спектра доступных систем и сигналов изучены фрагментарно. Определение достоверных метрик обнаружения маскирующих заградительных и имитационных помех является необходимым условием для обеспечения безопасности высокоточных измерений.Вследствие этого целью данного исследования является экспериментальная оценка радиуса воздействия устройства подавления сигналов ГНСС на современную спутниковую геодезическую аппаратуру (СГА) и сравнительный анализ информативности различных метрик сигнала для обнаружения влияния воздействия вредоносного помехового сигнала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Проведение полевого эксперимента с поэтапным сближением источника помех к приемнику сигналов ГНСС на дистанции от 400 до 0 метров.
2. Сравнительный анализ устойчивости сигналов навигационных группировок ГЛОНАСС, GPS, Галилео, BeiDou.
3. Оценка степени подавления сигналов устройством глушения в зависимости от расстояния.
4. Оценка информативности параметров многолучевости и соотношения сигнал/шум (SNR) для детектирования факта подавления.
2. Методы и принципы исследования
Для проведения полевых экспериментальных исследований воздействия маскирующих заградительных помех на спутниковую геодезическую аппаратуру (СГА) была применена методика, реализуемая в условиях статичного расположения источника помех в одной горизонтальной плоскости с антенной СГА при разности высот между фазовыми центрами антенн не более 1 м. Содержание методики заключается в следующей последовательности действий:
1. Средство постановки помех (СПП) устанавливается в начале эксперимента на расстоянии 400 метров от СГА.
2. Начинается сеанс статических наблюдений на СГА, записывается 10 минут наблюдений без влияния помех.
3. Производится трансляция маскирующей помехи продолжительностью 3 минуты.
4. В течение следующих 3 минут СПП перемещается на 50 метров ближе к СГА (на расстояние 350 метров).
5. Действия 3 и 4 повторяются вплоть до достижения расстояния в 50 метров. После завершения трансляции помех на последней точке записывается 10 минут наблюдений без влияния помех.
Рисунок 1 - Схема проведения эксперимента
В качестве средства постановки маскирующих помех использовался подавитель сигналов EaglePro Метель-PRO, технические характеристики устройства представлены в таблице 1, внешний вид устройства на рисунке 2.
Подавитель сигналов EaglePro Метель-PRO
Таблица 1 - Технические характеристики подавителя сигнала EaglePro Метель-PRO
Характеристика | Значение |
Заявленный радиус действия | 10 метров |
Габариты | 135x76x35 мм |
Количество каналов | 6 |
Заявленные подавляемые частоты | GSM 925 — 965 МГц, DCS/PHS 1805 МГц — 1880 МГц, 3G 2110 МГц — 2170 МГц, GPS и ГЛОНАСС 1500 МГц — 1610 МГц, 4G 2620 МГц — 2690 МГц, WiFi и Bluetooth 2400 — 2500 МГ |
Тип помех | непрерывный |
Тип сигнала | Маскирующий, заградительный |
Выбор устройства подавления EaglePro «Метель-PRO» обусловлен его репрезентативностью для моделирования типовых угроз в гражданском сегменте. Спектральные характеристики устройства (диапазон 1500–1610 МГц) охватывают основные навигационные частоты L1 систем GPS и ГЛОНАСС, что коррелирует с частотным диапазоном наиболее массовых навигационных потребителей, включая смартфоны, автомобильные навигаторы и беспилотные системы
, .Для современной спутниковой геодезической аппаратуры использование источника помех с фиксированным спектральным охватом позволяет экспериментально оценить эффективность механизмов частотной селективности. Работоспособность многочастотного приемника в указанных условиях должна обеспечиваться за счет использования сигналов частотных каналов (GPS L2C, L2P (Y), L5; BDS B2I, B3I, B2a, B2b; ГЛОНАСС G2, G3; Galileo E5a, E5b, E6), находящихся вне полосы эффективного излучения СПП.
В качестве СГА использовался M68G, основные технические характеристики устройства представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Технические характеристики спутниковой геодезической аппаратуры M68G
Характеристика | Значение |
принимаемые сигналы от навигационных систем | GPS L1C/A, L1C, L2C, L2P (Y), L5; BDS B1I, B2I, B3I, B1C, B2a, B2b; ГЛОНАСС G1, G2, G3; Galileo E1, E5a, E5b, E6; QZSS L1C/A, L1C, L2C, L5; NavIC L5; SBAS L1C/A |
OEM модуль | Unicorecomm UM980 |
Для анализа влияния глушения и подмены радионавигационных сигналов на результаты наблюдений глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) используется программа анализа влияния глушения и подмены радионавигационных сигналов на результат наблюдений ГНСС
. Для оценки целостности параметров ГНСС-наблюдений, качества и полноты измерительной информации использовалась программа анализа качества измерительной информации ГНСС измерений .Обработка измерительной информации включала анализ следующих параметров: отношения сигнал/шум (C/N₀), погрешностей многолучевости
, кодовых псевдодальностей и измерений несущей фазы, а также статуса слежения за спутниками и количества доступных навигационных сигналов.3. Обсуждение
Проведенный анализ экспериментальных исследований позволил интерпретировать ряд метрик обнаружения воздействия заградительного маскирующего сигнала на работу спутниковой геодезической аппаратуры.
В ходе экспериментов установлено, что работоспособность приема навигационных сигналов частот L1 ГЛОНАСС и GPS существенно снижается при включении источника маскирующей заградительной помехи. Частота разрывов слежения за навигационным сообщением напрямую коррелирует с удаленностью средства постановки помех (СПП) (см. рисунок 3, 4).
Однако фактическая зона эффективного воздействия превысила заявленные в технической документации значения (10 м): полное подавление сигнала наблюдалось на расстоянии до 50 м, частичное — до 200 м. Устойчивость приема сигналов напрямую зависит от угла возвышения спутников и, следовательно, от мощности полезного сигнала на входе навигационной аппаратуры потребителя.
Рисунок 3 - График Соотношения сигнал/шум по частоте L1 спутниковых группировок GPS и ГЛОНАСС
Для повышения надёжности предлагается анализировать многолучевость для всех навигационных сигналов, которые находятся не под действием целевого воздействия заградительного маскирующего сигнала. Параметр многолучевости, определяемый на основе линейной комбинации кодовых и фазовых псевдодальностей на двух несущих частотах с последующим временным усреднением для исключения фазовой неоднозначности и аппаратных задержек
, демонстрирует высокую чувствительность к фазовым искажениям в приёмном тракте. Это позволяет выявлять помеху по всей совокупности сигналов даже при стабильном SNR, так как широкополосная помеха влияет на общие цепи приёмника.
Рисунок 4 - График многолучевости и соотношения сигнал/шум спутника R16 сигнала L2 ГЛОНАСС
Рисунок 5 - График многолучевости и соотношения сигнал/шум спутников GPS и ГЛОНАСС сигнала L1
Рисунок 6 - График многолучевости спутниковой группировки Галилео сигнала E1
Данная закономерность характерна абсолютно для всех современных сигналов спутниковых систем. Таким образом, можно сделать вывод, что даже многочастотное разделение не способно полностью обеспечить устойчивость оборудования к влиянию преднамеренных помех на смежных частотах. Сближение на расстояние менее 50 м с источником помехи может привести к отказу навигационного обеспечения вследствие воздействия маскирующей заградительной помехи, при этом при подходе вплотную к источнику подавления (менее 10–20 м) деградация сигналов всех частотных диапазонов носит необратимый характер и приводит к полной потере навигационного решения независимо от количества используемых частотных каналов.
Рисунок 7 - График соотношений сигнал шум для различных спутниковых группировок и частот
4. Заключение
По результатам проведенных экспериментальных исследований влияния устройства подавления сигналов ГНСС на спутниковую геодезическую аппаратуру можно сделать следующие выводы:
1. Экспериментально подтверждено, что реальный радиус эффективного воздействия устройства подавления значительно превышает заявленные производителем 10 метров. Деградация качества сигнала, потеря части спутников и аномалии в метриках SNR и многолучевости фиксируются на дистанциях до 200–400 м в условиях прямой видимости.
2. Параметр отношения сигнал/шум не обеспечивает достоверного детектирования воздействия маскирующей заградительной помехи на дистанциях свыше 100 м, так как может оставаться в пределах естественных флуктуаций. Наиболее информативным признаком воздействия является анализ параметра многолучевости, определяемого на основе линейной комбинации кодовых и фазовых псевдодальностей: он демонстрирует высокую чувствительность к фазовым искажениям в приёмном тракте даже для сигналов, не являющихся прямой целью подавления.
3. Сигналы в диапазонах L1 (GPS), G1 (ГЛОНАСС), E1 (Galileo), B1I/B1C (BeiDou) подвергались полному подавлению на дистанции около 50 м, тогда как сигналы современных диапазонов (L5, E5a/E5b, B2a/B2b) сохраняли слежение на больших расстояниях. Однако влияние помехи на соотношение сигнал/шум для современных частот наблюдалось вплоть до 200 м, а на дистанциях менее 50 м фиксировались значительная деградация SNR и периодические срывы слежения.
4. Использование многочастотной аппаратуры позволяет повысить устойчивость за счёт переключения на «незаглушенные» частотные каналы (L5, E5, B2), однако не гарантирует полную защиту. Сближение на расстояние менее 50 м с источником помехи может привести к отказу навигационного обеспечения вследствие воздействия на смежных частотах, при этом подход вплотную к источнику подавления приводит к полной потере навигационного решения независимо от количества используемых частотных диапазонов.
Полученные результаты справедливы для подавителей гражданского класса с фиксированным набором частот. Для комплексной оценки помехозащищённости современных навигационных сигналов требуется проведение дополнительных экспериментов с использованием широкополосных источников помех, охватывающих весь спектр навигационных частот (включая L5, E5, B2).
В дальнейшем планируется провести сравнительный анализ устойчивости различных видов спутниковой геодезической аппаратуры к воздействию средств постановки помех, охватывающих весь спектр частот ГНСС (включая L5, E5, B2). Такой подход позволит исключить влияние спектральных ограничений источника воздействия и оценить универсальность выявленных закономерностей для разных типов приёмников.