Odvětvové informační středisko a Zeměměřická knihovna VÚGTK 250 66 Zdiby 98, tel. +420 284 890 375, fax: +420 284 890 056

Ochrana přijímačů GPS proti rušení. 2. část : Vylepšení antén

[Jamming Protection of GPS Receivers. Part 2. : Antenna Enhancements]

Steve Rounds. - In: GPS Wld. - ISSN 1048-5104. - Roč.15, č.2 (2004), s.38-40 : 7 obr. - Res. angl. - Lit.6.

Přeložil G. Karský (zkráceno)
Zdiby : VÚGTK, 2004. - 3 s.

Klíčová slova: GPS, přijímač, anténa, rušení, ochrana

Abstrakt:

Druhá část pojednání o ochraně přijímačů GPS proti rušení je věnována vylepšení antén (první část o přijímačích viz GPS Wld. - Roč. 14, č. 1 (2004), s.54-59). Způsoby zvýšení odolnosti antén proti rušení jsou založeny na rozdílnosti směru, polarizace, frekvenčních charakteristik atd. rušivých a GPS signálů. Blokovými diagramy jsou naznačeny některé možné způsoby, jako jejich anulování pro dvojici antén, měření polarizace, spektrální filtry (v časové či kmitočtové oblasti), prostorové vynulování víceprvkovou anténou (řešení je z nejefektivnějších, ale i nejdražších). Popisují se adaptivní řešení STAP a SFAP (Spatial Temporal/Space Frequency Adaptive Processing), založená na kombinaci některých dříve uvedených způsobů.

Poznámka: Kurzívou uvádím přímé citace z textu, zestručněné souhrny některých pasáží článku, i své poznámky k němu. Pro úsporu místa zde nejsou reprodukovány obrázky, jejich obsah je však využit v textu.

Úvod

Techniku potlačování vlivu rušení signálů GPS lze rozdělit na vylepšování vlastních přijímačů a na vylepšování antén, které jsou na vstupu přijímačů. První část této práce byla věnována přijímačům. Nyní se budeme zabývat anténami.

Vylepšování antén je lákavé, protože často umožňuje využívat beze změny existující instalace GPS přijímačů, což uživatelům ušetří náklady na zavádění odlišných přijímačů do jejich systému.

Způsoby vylepšování antén lze rozdělit na analogové a digitální. Podstatou analogových je směšování rádiofrekvenčních (RF) signálů z několik antén do jednoho "váhovaného" signálu, který se poté digitalizuje pro digitální sekci přijímače. V digitální variantě, jak název napovídá, se nejprve RF signály z antén digitalizují analogově číslicovým převodníkem (A/D), a jejich společné zpracování se pak děje v digitální oblasti.

Základní způsoby vylepšování antén

Popíšeme několik oblíbených technologií pro vylepšování antén, v pořadí vzrůstající složitosti.

Anulátory (to je pokus o překlad autorova Cancellers) jsou jedním z nejjednodušších způsobů vylepšení antén pro potlačení rušení. Anulátor využívá výstupy ze dvou antén. Jedna z nich dobře "vidí" rušič ("Jammer", proto anténa "J") a špatně (nebo vůbec ne) přijímá kombinované signály GPS, druhá anténa přijímá signály družic GPS i rušiče (anténa "G+J"). Příkladem mohou být dvě antény na trupu letadla, jedna nahoře, druhá dole, směřující k zemi. Rušič ovlivní obě, ale dolní anténa nebude přijímat signál družice. Signál z antény J se upraví komplexním váhováním (tj. úpravou amplitudy i fáze, stanovením váhové funkce W) tak, aby byl stejné velikosti, avšak opačný než rušivý signál z antény G+J; po jejich sloučení je rušení v signálu z G+J potlačeno. To je možné, pokud je signál z družic výrazně pod úrovní rušivého signálu, takže neovlivní stanovení W.

Pozn. Ka: Zde je nutné říci, že W je obecně funkcí komplexní proměnné se zahrnutím zisku antény (zisků dvojice antén), jejich vzdálenosti, elevačních úhlů GPS a rušiče, šumu v příslušných kanálech, kruhové frekvence signálu GPS a rychlosti světla. Při analýze víceprvkových antén se užívá podobně definovaná funkce A. Obě se v článku uvádějí a podrobněji vysvětlují.

Anulátory jsou velmi efektivní pro situaci, kdy rušivý signál přichází z jednoho lokálního vysílače. Je-li rušičů více, je jejich vliv na obě antény různý a funkce W určená pro jeden z nich obecně neodpovídá druhému. V tomto případě lze použít vícekanálových anulátorů, ale pak prudce vzrůstá složitost zařízení.

Polarimetry jsou jinou dvoukanálovou implementací obrany proti rušení, ale pracují s jednou anténou. Její signál je veden dvěma kanály, ve kterých se generují dva signály s opačnou polarizací, typicky pravo- a levotočivou kruhovou. Ty se využijí pro eliminaci rušení. Jako u anulátorů je zde podstatné nalezení dvou komplexních váhových funkcí W₁ a W₂ tak, aby výkon rušení ve sloučeném signálu byl minimální; úloha se zjednoduší položením W₁ = 1. Podobně jako amulátor, je i polarimetr nejefektivnější pro jednotlivý rušič, nicméně pro specifické geometrické podmínky může být účinný i proti vícenásobným zdrojům rušení.

Spektrální filtry mohou pracovat v časové nebo kmitočtové oblasti; názornější pro pochopení je realizace v oblasti kmitočtové (takže možnosti časové implementace se vůbec nevykládají, je uvedeno pouze blokové schéma - pozn. Ka). Ve výkladu se předpokládá rušení vysílačem s kontinuální vlnou ("CW" - continuous wave, tj. nemodulovaná nosná). Výstup z antény je zpracováván rychlou Fourierovou transformací, která by měla ukazovat na bílý šum s jedinou velkou špičkou na kmitočtu rušiče. Po jejím označení inverzní Fourierova transformace vrátí výstupní signál do časové oblasti (tedy do podoby časového průběhu signálu). Spektrální filtry mohou zvládnout i několik rušičů, ale jsou zcela neúčinné proti zdrojům více- nebo širokopásmovým.

Prostorové nulování (Spatial Nulling) patří mezi nejefektivnější, ale i nejsložitější a nejdražší řešení. Používá víceprvkové antény, kde každý prvek je samostatnou anténou s vlastním kanálem; kanály se slučují do společného signálu na základě individuálních váhových funkcí W_i , přičemž platí, že n-kanálová anténa může eliminovat n-1 rušičů. Funk-

ce antény je založena na rozdílnosti směrů k družici a k rušiči; pokud by rušivý signál přicházel ze směru shodného se směrem k družici, bude ovšem "vynulován" i její signál. V článku je grafem prostorového směrového diagramu znázorněna účinnost sedmiprvkové antény pro pět širokopásmových rušičů.

Další možnosti vylepšení antén (lépe snad "anténních systémů") jen pojmenujeme a budeme stručně charakterizovat jejich základní myšlenky. Jsou kombinacemi již popsaných základních způsobů (principů) a příliš složité pro slovní výklad. Uvedeme je v členění textu podle originálu.

STAP

STAP je akronym pro Spatial Temporal Adaptive Processing", tj. (spíše popis, než překlad) adaptivní zpracování prostorového pole signálů v časové oblasti. Kombinuje princip prostorového nulování pomocí n antén s principem spektrálního filtru v časové oblasti o m spektrálních pásmech. Dává velmi ostrá a hluboká minima intenzity signálů v okolí směrů ke zdrojům rušení. Kritický je výpočet n × m funkcí W.

SFAP

SFAP je podobně "Space Frequency Adaptive Processing", tedy adaptivní zpracování prostorového pole signálů v kmitočtové oblasti. Kombinuje n antén o j pásmech rychlé Fourierovy transformace. Slučují se nejprve výsledky ze všech antén podle jednotlivých pásem, a teprve pak dochází k inverzní transformaci, jak bylo výše naznačeno. SFAP je poněkud efektivnější než STAP při vícenásobných rušičích, neboť méně degraduje intenzity užitečných (GPS) signálů mimo směry k zdrojům rušení.

Dodatečné přínosy řešení STAP a SFAP

STAP a SFAP jsou nejen nejefektivnější metody pro minimalizaci efektů rušivých signálů na příjem GPS, ale přinášejí i některé další výhody či možnosti. Stručně je uvedeme.

"Formování paprsku" (Beamforming). Tak jako uvedená řešení omezují zisk antény ve směrech k rušičům, mohou současně ve směrech k družicím zisk zvětšovat. Tato technika je nejefektivnější pokud anténa není plně vytížená, tj. pokud počet rušičů je menší než n-1. Příslušný algoritmus pracuje se známými azimuty a elevacemi družic.

"Samočinné vyrovnávání" (Self-Equalization) je schopnost prostorového nulování (které je součástí obou adaptivních systémů) obejít jinak nutné kalibrace a kompenzace nepřesného přizpůsobení citlivosti, fázového zpoždění a šířky pásma pro každý element antény před obvody dalšího zpracování

jejich signálů.

Jiné přínosy lze nalézt v možnosti útlumu vlivu vícecestného šíření (multipath), nebo v možnosti určení polohy zdroje rušení.

Dopady na přijímače

Uvnitř přijímače napájeného "vylepšenou" anténou může docházet k některým problémům. Jde o fázové perturbace, které mohou být chybně interpretovány jako fázové změny GPS signálu (které jsou podstatou jeho užitečné modulace). Druhým důležitým problémem je radiofrekvenční dynamický rozsah, který musí zůstat lineární i při špičkových úrovních rušení. Problémy se řeší způsoby různými pro analogové a digitální implementace vylepšených antén proti rušení.

Závěry

Rušení přijímačů GPS je realitou. Jejich citlivost na rušivé vlivy je vysoká, jak pro velmi slabé signály GPS družic, tak pro citlivost krátkého C/A kódu na interference s kontinuálními vlnami. Nezáměrné rušení se pozoruje i v civilních aplikacích. Ozbrojené síly, které jsou závislé na GPS, usilují o rychlý vývoj obrany proti známým hrozbám záměrného rušení. Průmysl na to reaguje řadou schémat ochrany před rušením, jak byla popsána v této práci, přičemž každé z nich má své silné stránky i slabiny.

Pozn.Ka: Steve Rounds, který patří k vedoucím pracovníkům IEC - Interstate Electronics Corporation, pracuje na vývoji ochrany proti rušení GPS, takže jeho článek je jistým souhrnem dosavadních výsledků. Je zaměřen spíše na odborníky v elektronice. Ačkoliv pro jiné čtenáře přidal výklad několika základních pojmů (jammers, CW, white- -noise, pulsed, FM), má např. v blokových schématech implementací některé symboly v textu vůbec nedefinované. Pro nás, geodety, je Roundsovo pojednání hlavně připomínkou složitosti některých problémů okolo použití GPS a varováním před jejich bagatelizací.