Некоторые замечания к вопросу помехоустойчивости сигналов GPS
и разработке способов их подавления

А.В. Крамаренко

ООО "Компания TREDEX" , Харьков



Некоторые замечания к вопросу помехоустойчивости сигналов GPS
и разработке способов их подавления

В настоящее время опубликовано достаточно сообщений о выведении из строя систем наведения крылатых ракет и управляемых авиабомб с помощью простейших постановщиков помех, генерирующих монохроматические сигналы, т.е. расстроенную относительно основной частоты GPS приемника несущую[1]. При этом утверждается, что «томагавк» валится с неба как спелая груша с дерева и любой радиолюбитель способен противопоставить американскому высокоточному оружию свой интеллект, реализованный в виде простейшей схемы генератора, а также микроволновую печку с открытой дверцей. В качестве дополнительного и более масштабного проекта предлагаются мортиры, стреляющие в небо щебенкой после фиксации микрофоном звука летящей крылатой ракеты (воспоминания ли о панике в США, когда генералы предлагали сбить первый «Спутник» с помощью металлических обломков на орбитальной высоте или ТТХ американских противовертолетных мин натолкнули авторов на эту идею - неизвестно):

Наиболее существенной частью разработки столь эпохальных средств борьбы с ВТО является экспериментальная проверка помехозащищенности систем GPS . Стойкость к помехе признается, понятное дело, нулевой, и авторы приходят к следующим выводам [цитата по 2. и др.].

Считавшиеся ранее наиболее помехозащищенными фазоманипулированные сигналы таковыми не являются ни при поэлементном приеме, ни при приеме в целом (выделено мной А.К.) .

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 фазоманипулированных сигналов не требуется.

2. Фазоманипулированные сигналы не являются наиболее помехозащищенными (а какие? А.К.).

К этим утверждениям авторы приходят после демонстрации следующих иллюстраций (Рис.1).


Рис.1. Появление биений на входе приемника при постановке помехи в виде расстроенной несущей.

 

Действительно, при работе детектора фазового перехода в виде «приема в целом» т.е. анализа коррелограммы входного сигнала и его записанной копии, выделение полезной информации будет затруднено и в ряде случаев невозможно вследствие биений частот генераторов спутника и постановщика помех (другие причины почему-то не рассматриваются NB !).

Но это совершенно не означает, что примененный способ детектирования является единственным и оптимальным при суперпозиции полезного сигнала со всеми возможными помехами (тем более этого никто математически корректно не доказал несмотря на [3]). И если способ постановки помех с помощью расстроенной несущей действительно близок к оптимуму [3], то это утверждение следует распространять только на алгоритм «прием в целом» но не делать неоправданных и непроверенных допущений о том, что и все другие приемники будут подавлены таким способом.

Попробуем экспериментально проверить устойчивость детектора другого типа в условиях работы заявленного постановщика помех (алгоритм и программа мои, исходные тексты могут быть представлены для проверки). Обнаружим фазовый переход входного сигнала с помощью вычислителя гипотенузы из результатов его перемножения на две квадратуры с частотой несущей. Полученную смесь фильтруем с помощью двух оптимизированных для данной задачи КИХ ФВЧ, причем их выходы подключены к компаратору с гистерезисом (результат работы схемы понятен из рисунка 2).

 


Рис.2 Обнаружение фазового перехода в условиях нулевых помех (постановщики помех выключены). Падение уровня сигнала на выходе фильтра обусловлено ПОС, обеспечивающей гистерезис, задержка обнаружения константна и определяется кроме прочего параметрами ФВЧ 1 и ФВЧ 2.

 

Очевидно, что такая схема приемника будет работать при детектировании сигналов с фазовой модуляцией. При этом следует учесть, что это решение является лишь одним из множества возможных. Кроме того (и это весьма важно), все другие блоки приемника GPS за исключением детектора могут быть использованы без переделок.

Подадим помеху от внешнего генератора с расстроенной несущей (т.е. полностью имитируем условия приведенные в [2]). Уровень помехи зададим равным входному сигналу для того, чтобы обеспечить наименее благоприятный в смысле глубины модуляции результирующего сигнала вариант. Посмотрим на выделение сигнала (Рис.3). Очевидно, что постановщик помехи, который при таком уровне сигнала, по мнению авторов [2], гарантированно должен вывести из строя приемник с традиционным алгоритмом работы детектора, абсолютно неэффективен. (Здесь следует оговориться, что в рассуждениях авторов возможна ошибка, иначе непонятно, почему при нарастании уровня помехи эффективность глушения стандартного приемника возрастает - ведь амплитуда огибающей не растет т.к. определяется уровнем сигнала от спутника и не может быть выше его.)

Оставим, впрочем, теоретические рассуждения, потому, что вопрос, кажущийся ясным изначально, тоже, к сожалению, подчиняется законам Мерфи . Зафиксируем лишь, что в результате эксперимента выясняется, что максимум, чего удается добиться такой помехой - небольшое понижение точности определения момента фазового перехода входного сигнала, что будет вызывать пренебрежимо малые погрешности точности определения местоположения приемника.

 


Рис.3. Неэффективная работа постановщика помех. Фазовый переход уверенно обнаружен.

Небольшое (на десятки децибел) повышение уровня монохроматической помехи мало чего дает в смысле выведения приемника из строя, хотя при значительном повышении уровня помехи этот алгоритм, разумеется, не справится с задачей, но напомним, что он - не единственное решение. Кроме того, повышение уровня (не превышающее величины « забития » динамического диапазона приемника) немодулированной помехи ухудшает обнаружение фазовых переходов не вследствие биений сигналов, а потому, что сигнал помехи имеет паразитную АМ и ее вклад в результирующую компоненту растет прямо пропорционально уровню помехи. Этот факт в доступной литературе не учитывается совершенно и значительно опаснее, как следует из [1], работа нескольких глушителей, настроенных на разные частоты и имеющих разные величины вклада в смесь сигналов на входе приемника.

Пусть есть четыре постановщика помехи, имеющие разные частоты генераторов, случайную начальную фазу генерации и разный уровень выходного сигнала.


Рис.4 Работа детектора в условиях множества генераторов, вызывающих образование сложной смеси на входе приемника. Работоспособность системы сохраняется полностью.

 

Задействуем дополнительные постановщики помех, по меньшей мере один из которых имеет АБГШ компоненту, втрое превышающую полезный сигнал по междупиковому размаху на входе приемника (Рис.5).


Рис.5. Несмотря на впечатляющую помеху на входе приемника, сигнал успешно детектируется.

Предположим теперь, что в качестве постановщика помехи используется современный цифровой глушитель. По словам директора российского ООО « Авиаконверсия » Олега Антонова: «Цифровой глушитель нового поколения, получив часть навигационного радиосообщения, запоминает его и затем многократно повторяет в эфире. Такой метод постановки помехи продемонстрировал очень высокую эффективность». Опробуем его действие на предлагаемом детекторе (Рис.6).


Рис.6. Близкая к нулю эффективность работы современного глушителя при соотношении сигнал/помеха 1:1 и более раннем захвате полезного сигнала, чем сигнала помехи.

Разумеется, что как только соотношение сигнал/помеха ухудшится, приемник будет выведен из строя, т.е. современный глушитель значительно эффективнее простейшего. Впрочем, его работу можно описать следующей аналогией - попытка помешать телефонному разговору, подмешивая в линию запись предыдущих фраз абонента. Естественно, что любая сколько-нибудь интеллектуальная система легко справится с такой задачей. Т.е. эффективность такого глушения будет сохраняться лишь до тех пор, пока примитивные детекторы GPS не будут использовать принципы априорного знания, адаптацию к длинам реализаций, предсказание вперед, проверку по критерию максимального правдоподобия и т.д. и т.п.

Не будем забывать, однако, что по существу предложенный детектор является всего лишь вариантом системы, предназначенной для детектирования сигналов с амплитудной модуляцией. Следует ожидать, что постановщик помехи, использующий амплитудную составляющую, выведет систему из строя при том же соотношении сигнал/помеха. Проверим эту гипотезу (Рис.7).


Рис.7. Неэффективность предложенной системы детектирования в условиях помех со стопроцентной глубиной амплитудной модуляции. Фазовый переход не обнаружен.

Учитывая тот факт, что предложенный вариант детектора по определению не является единственным при модернизации этого узла, следует предполагать, что такие исследования, несомненно, ведутся разработчиками высокоточного оружия. Не исключено, естественно, что при проведении масштабного и успешного НИР будут получены решения, позволяющие действительно существенно повысить стойкость системы к помехам. При этом распространяемые сообщения типа: «намечаемое повышение мощности радиопередатчиков GPS в восемь раз», «оснащение GPS-приемников узконаправленными антеннами», «построение антенной решетки и уменьшение коэффициента усиления антенны в направлении jammer », «предлагается адаптивная узкополосная режекторная фильтрация» - являются, скорее всего, отвлекающим маневром или дезинформацией. В действительности, по меньшей мере, один из противников серьезно готовится к применению ВТО. А рассуждения: «:ведь любая мало-мальски технически развитая страна способна наладить производство GPS-подавителей:американцам придется вернуться (хотя бы на время) к обычным алгоритмам войны или стать ангельски смирными» следует оставить на совести авторов.

Впрочем, любая деятельность в направлении постановки помех современному ВТО, будет по существу - паллиативом, если не учитывать наиболее общие принципы РЭБ.

 

Пока оценить результат борьбы системы наведения на базе GPS и постановщиков помех достаточно просто. Можно с уверенностью предсказать победу системам подавления при выполнении следующих условий.

  1. Система GPS не станет параметрической, т.е. не сможет изменить свои характеристики принципиально и в нужный момент времени, т.е. она будет продолжать использовать те же частоты, тип модуляции и т.п.
  2. Система GPS не станет интеллектуальной, т.е. будет использовать примитивные способы обнаружения/распознавания сигналов спутников.
  3. Постановщики помех не будут использоваться постоянно, чтобы противник не мог заблаговременно обнаружить их и вывести из строя (никто ведь в обороне не раскрывает положение своих огневых точек раньше времени).
  4. Постановщики помех будут иметься в достаточном количестве, комплектоваться эффективными носителями и использоваться в рамках адекватного управления операцией.
  5. Разработкой и производством средств РЭБ будут заниматься не радиолюбители, а государство.

 

И последнее. С берданкой на танк уже ходили неоднократно. Ничего хорошего не получилось (танкистам, может быть, и понравилось). Поэтому необходимо проектировать не воздушные шары с привязанными радиолюбительскими самоделками или поля, усеянные примитивными передатчиками. Если уж устанавливать постановщики помех, то на маневрирующем по стохастической траектории сверхманевренном БПЛА. И не один, а дублировать многократно, причем разными типами, некоторые из которых находятся в резерве до самого черного дня. И не рассчитывать на длительную жизнь постановщиков помех - это будет расходный материал, которого всегда должно быть в избытке. Что касается генераторов немодулированных сигналов, то их век, как постановщиков помех, подходит, похоже, к концу.

 

Список литературы:

1. М. П. Иванов, Кашинов В. В. Теория и практика падающих «Томагавков».  (www)

2. М. П. Иванов, Кашинов В. В.  Экспериментальная проверка помехозащищенности американской спутниковой навигационной системы GPS. (www)

3. Овчаренко Л. А.,  Поддубный  В. Н.   Помехоустойчивость приема   фазоманипулированных сигналов на фоне наиболее неблагоприятных помех // Радиотехника, 1992, ¦ 7-8, с.13-19.

4. Кашинов В. В.  Методы защиты от высокоточного оружия. (www)

 

Новости|О компании|Продукция|Прайс-лист|Контакты|Публикации|Архив|Медицинский центр|Наши партнеры