Что такое gnss антенна

“Новые идеи проходят через три периода: 1) Это невозможно. 2) Это возможно, но не стоит этого делать. 3) Я всегда знал, что это хорошая идея! “ Артур Кларк, британский писатель, изобретатель и футуролог.

Большинство из нас теперь знает, что ГНСС «всегда была хорошей идеей» и что сейчас мы находимся в стадии третьей фазы.

Базовые концепции спутникового позиционирования очень легко понять. На самом деле они настолько просты, что дочь одного из наших сотрудников, учащаяся 4 класса, попросила объяснить их ее одноклассникам.

Перед началом занятия этот сотрудник подготовил следующую демонстрацию, свой вариант «теории струн». Он прикрепил картонные фигурки трех спутников к стенам и потолку класса, как показано на рис. 1. К каждому «спутнику» была протянута тонкая веревка (“струна”). Далее, отметил место на полу подвижной меткой, затем потянул веревки вниз и обозначил, где все они достигают этой метки. Веревки теперь представляли расстояния от точки до отдельных спутников. Он зафиксировал расположение метки и снял ее с пола.

Когда ученики вошли в класс, наш коллега попросил их использовать веревки, чтобы определить местоположение убранной метки. Для этого ученики опускали веревки вниз, пока их концы не сошлись в одной точке на полу. Они отметили эту точку подвижной меткой и сравнили ее с ранее отмеченным положением. Результаты были очень близки. Эта простая демонстрация показала, что, если вы знаете положение трех спутников и ваше расстояние до них, то вы можете определить свое местоположение.

В реальных условиях решение этой задачи усложняется несколькими факторами: спутники движутся, сигналы от спутников очень ослаблены к тому времени, когда они достигают поверхности Земли, так как атмосфера мешает прохождению радиосигналов, и зачастую, оборудование пользователя не такое сложное, как оборудование на спутниках.

«Чем больше вы это объясняете, тем больше я этого не понимаю». Марк Твен, американский писатель и юморист.

Мы согласны. Мы предоставим более подробное объяснение решения задачи по определению местоположения в главе 2.

Хотя вы, возможно, уже знакомы с термином «GPS» (Глобальная Система Позиционирования), возможно, вы не слышали термин «ГНСС» (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), который используется для описания набора спутниковых систем определения местоположения, которые в настоящее время работают, или запланированы к развертыванию.

GPS (США): GPS была первой системой ГНСС. GPS была развернута в конце 1970-х годов Министерством обороны США. Система обеспечивает глобальное покрытие всего земного шара.

ГЛОНАСС (Россия): ГЛОНАСС находится в ведении правительства России. Созвездие ГЛОНАСС является глобальной спутниковой системой.

IRNSS (Индия): Индийская региональная навигационная спутниковая система. IRNSS обеспечивает обслуживание Индии и ее окрестностей.

В главе 3 мы предоставим дополнительную информацию об этих системах. По мере добавления созвездий и спутников ГНСС мы сможем более точно рассчитывать местоположение во все большем количестве мест.

ГНСС АРХИТЕКТУРА

«Будущее уже не то, чем было раньше». – Йоги Берра, бывший игрок и менеджер Высшей Бейсбольной Лиги.

Мистер Берра прав. Внедрение спутниковых систем ГНСС действительно изменило ситуацию.

Системы ГНСС состоят из трех основных компонентов или «сегментов»: космического сегмента, сегмента управления и пользовательского сегмента. Это показано на рис. 2.

Космический сегмент

Космический сегмент состоит из спутников ГНСС, находящихся на орбите около 20 000 км над землей. Каждая ГНСС имеет собственное «созвездие» спутников, расположенных на орбитах, чтобы обеспечить желаемое покрытие, как показано на рис. 3.

Каждый спутник в ГНСС созвездии передает сигнал, который идентифицирует его и предоставляет время, орбиту и статус.

В качестве иллюстрации рассмотрим следующее. Вы в центре города и звоните другу. Но Вашего друга нет дома, и поэтому Вы оставляете сообщение:

Это Лори [идентификатор]. Время 13:35. [время]. Я нахожусь на северо-западном углу 1-й авеню и 2-й улицы и направляюсь к Вам [орбите]. Я в порядке, но немного хочу пить [статус].

Ваш друг возвращается через пару минут, слушает Ваше сообщение и «обрабатывает» его, затем перезванивает Вам и предлагает встретиться в другом месте. По сути, Ваш друг произвел Вам «коррекцию орбиты».

Сегмент управления и контроля

Сегмент управления включает в себя наземную сеть главных станций управления, станций загрузки данных и станций мониторинга; в случае GPS, две главные станции управления (одна основная и одна резервная), четыре станции загрузки данных и 16 станций мониторинга, расположенных по всему миру.

В каждой системе ГНСС главная станция управления регулирует параметры орбиты спутников и бортовые высокоточные часы, когда это необходимо, для поддержания точности измерений.

Станции мониторинга, обычно устанавливаемые в обширной географической зоне, отслеживают сигналы и состояние спутников и передают эту информацию на главную станцию управления. Главная станция управления анализирует сигналы, затем передает на спутники поправки для орбиты и времени через станции загрузки данных.

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент состоит из оборудования, которое обрабатывает полученные сигналы от спутников ГНСС и использует их для получения и применения информации о местоположении и времени. Оборудование варьируется от смартфонов и портативных приемников, используемых туристами, до сложных специализированных приемников, используемых для высокоточных измерений и картографических работ.

ГНСС позиционирование

«Я никогда не терялся, но признаю, что был сбит с толку в течение нескольких недель». Дэниел Бун, американский пионер и охотник.

Если у вас есть ГНСС приемник, маловероятно, что вы когда-нибудь снова потеряетесь. ГНСС позиционирование основано на процессе, называемом «трилатерацией». Проще говоря, если вы не знаете свое местоположение, но знаете свое расстояние от трех известных точек, вы можете определить свое местоположение методом линейной засечки.

Допустим, вы находитесь в 3 км от дома человека А. Все, что вам известно, это то, что вы находитесь на круге в 3 км от дома человека А, как показано на рис. 4.

Но если вы также знаете, что находитесь в 4 км от дома человека Б, вы будете иметь гораздо лучшее представление о том, где вы находитесь, поскольку на обоих кругах есть только две точки пересечения (x и y), как показано на рис. 5.

Если вам известно третье расстояние, то вы можете находиться только в одном физическом месте. Если вы находитесь на расстоянии 6 км от дома человека C, вы должны находиться в точке x, поскольку это единственное место, где встречаются все три круга (расстояния) как на рис. 6.

В главе 2 мы покажем вам, как метод трилатерации применяется в ГНСС. По сути, мы просто собираемся расширить приведенный выше пример, заменив дома спутниками. И по причинам, которые мы обозначим, мы заменим три дома на четыре спутника.

Первые невоенные применения технологии ГНСС были осуществлены в геодезии и картографии. Сегодня ГНСС используется для коммерческих приложений в сельском хозяйстве, транспорте, беспилотных транспортных средствах, управлении машинами, морской навигации и других отраслях, где эффективность может быть повышена за счет получения точной, постоянно доступной информации о местоположении и времени. ГНСС также используется в широком спектре потребительских приложений, включая автомобильную навигацию, мобильную связь, развлечения и легкую атлетику. По мере того, как технология ГНСС совершенствуется и становится менее дорогой, будет придумано и разработано все больше и больше приложений.

Помимо определения местоположения, ГНСС приемники могут предоставлять пользователям точное время, «синхронизируя» их местные часы с высокоточными часами на борту спутников. Это сделало возможным использование таких технологий и приложений, как синхронизация электрических сетей, сотовых систем, Интернета и финансовых сетей.

Подробнее о приложениях ГНСС мы поговорим в главе 8.

Пользовательское ГНСС оборудование

Основными компонентами пользовательского сегмента ГНСС являются антенны и приемники, как показано на рис. 7. В зависимости от вариантов использования, ГНСС антенны и приемники могут быть раздельными или объединены в одно устройство.

ГНСС антенны

ГНСС антенны принимают радиосигналы, транслируемые спутниками ГНСС, и передают их приемникам. ГНСС антенны доступны в различных форм-факторах, имеют разные размеры и технические характеристики. Антенна подбирается исходя из решаемых задач. В то время как большая антенна может быть подходящей для базовой станции, легкая низкопрофильная аэродинамическая антенна больше подходит для установки на самолеты или беспилотные летательные аппараты (БПЛА). На рис. 8 представлена подборка ГНСС антенн.

ГНСС приемники

Приемники обрабатывают спутниковые сигналы, полученные антенной, для расчета местоположения и времени. Приемники могут быть разработаны для использования сигналов от одного созвездия ГНСС или от более чем одного созвездия ГНСС. Как показано на рис. 9, приемники доступны во многих форм-факторах и конфигурациях, чтобы соответствовать разнообразным требованиям при использовании ГНСС.

Дополнение ГНСС

Автономное позиционирование на базе ГНСС осуществляется с точностью до нескольких метров. Точность автономных ГНСС определений и количество доступных спутников могут не соответствовать потребностям некоторых пользователей.

Были разработаны методы и оборудование для повышения точности и доступности информации о местоположении и времени ГНСС. Мы обсудим некоторые из этих методов в главе 4.

Заключение

В главе 1 представлен обзор основных концепций и компонентов ГНСС. Это краткое изложение поможет вам понять принципы ГНСС определений. Более подробное рассмотрение основных концепций ГНСС изложено в главе 2.

Источник

GNSS-оборудование: виды и режимы работы

В конце 20 века началась разработка спутниковых систем слежения. Сначала GNSS-оборудование создавалось для военных целей. В гражданскую сферу комплексы внедрялись постепенно с 2000 года. Сейчас приемники, сопрягаемые с сателлитами, активно используются для решения общих и специальных задач, погрешность не превышает 2–3 м.

Что такое GNSS

Приборы Global Navigation Satellite Systems представляют собой улавливатели импульсов от спутников, включая ГЛОНАСС, GPS, Beidu, QZZ, SBASS. Размещены указанные комплексы на разных орбитах вокруг Земли (либо над отдельными участками). Наземные трекеры, принимающие сигналы от нескольких сателлитов, называются многочастотными.

Предназначение ГНСС-приемников, согласно инструкции – определение заданных координат на поверхности и в околоземном пространстве. Они показывают не только местонахождение объектов, но и определяют направление движения, скорость. Рабочая техническая схема – вычисление дистанции между спутником и принимаемой антенной трекера.

Применение

Геодезические приборы с GNSS используются на начальных стадиях возведения строительных объектов, дорог и прочих инженерных коммуникаций. С их помощью точно формируют топографические карты, схемы расположения пунктов.

GNSS-оборудование

Прочие сферы применения:

НА ЗАМЕТКУ. ГНСС-оборудование увеличивает качество исследований, точность выполняемых операций. Комплексы спутникового позиционирования позволяют получить информацию при сокращении затрат.

Принцип работы

Рассматриваемый прибор действует посредством приема импульса с одного или нескольких спутников, с последующим вычислением дистанции до заданного объекта на планетарной орбите. Для определения координат нужной точки на земной поверхности применяют несколько приемников типа GNSS.

Определение координат происходит с учетом скорости радиоволнового распространения. От сателлита импульс отражается за конкретный период. Прибор учитывает время и частотность отзеркаливания сигнала. На основе полученной информации приемник «ГНСС» анализирует расстояние от спутника до антенны. Обработка данных с нескольких приборов позволяет вычислить точную географическую локацию объекта в пространстве.

К сведению. Во многих приемниках есть функция блокировки для предотвращения несанкционированного использования. При включении приборов нужно вводить код.

Основные компоненты

GNSS-приемники отличаются дизайном, дополнительными возможностями и даже гарантийным сроком. Элементы комплекта приведены в таблице.

Виды GNSS-оборудования

Комплексы спутникового позиционирования делятся на бытовые и профессиональные варианты. Первые версии предназначены для применения обычными пользователями для решения повседневных задач. Профессиональная аппаратура сложнее, эффективнее, задействуется в военной отрасли, геодезии, картографии.

South Galaxy G1 Plus

Популярные системы приведены в таблице.

Приемник

EFT и другие системы GNSS включают в комплекс принимающее устройство. Оно получает импульсы от орбитальных спутников, анализирует их, определяет расположение объекта. Приборы подразделяются на мультисистемы, роверы GPS, ГЛОНАСС, M4 и другие. Принцип работы и конструкция у большинства трекеров схожи, не считая комплектации, дополнительных функций.

К примеру, приемник Trimble R8 GNSS способен выдавать точные сведения при нечетких сигналах. Подобными характеристиками также обладает GPS Leica.

PrinCe i50

Контроллер

КПК служат для визуализации действий ГНСС-приемников в режиме RTK. Контроллер также необходим при настройке сопряжения между компонентами комплекса. КПК отличаются по двум критериям:

Спутниковая антенна

Современные антенны для станций ГНСС отслеживают орбиты с углом отклонения 3°, при этом точность центра фазы не превышает 2 мм, что минимизирует погрешности в измерениях. Дубляж любого типа принимающих элементов – до 1 мм.

КСТАТИ! Высокоточные показатели достигаются за счет многоточечного подключения, что сводит вероятность потери импульса к нулю. Антенны производительны в плане позиционирования, совместимы с большинством типов GNSS-приемников, эффективны весь срок эксплуатации.

Радиомодем

Этот компонент нужен, чтобы правильно настраивать наземную систему. Прибор представляет собой высокоточное устройство, отвечающее за создание надежного беспроводного канала связи. Он служит для трансляции данных съемок в режиме реального времени. В радиомодем входят ровер и база ГНСС. Монтируют аппарат на штативе, подсоединяют посредством кабеля, сопрягают с наружной антенной.

Примером данного устройства является приемник Прин ГНСС.

Режимы работы GNSS-оборудования

По частотности трекеры можно разделить на три группы:

Static

Метод, позволяющий получить миллиметровую точность. Применяется для передачи координат от известных пунктов к обнаруживаемым объектам. Работа осуществляется с 2 приемниками (базой и ровером). После обработки данных на компьютере выводится расположение определяемых точек. При этом сотрудники профильных компаний могут проводить измерения в разное время, с нескольких трекеров, объединив сведения в единую сеть с последующим расчетом показателей.

Stop & Go

Отличие от «Статики» — посадка ровера над каждой точкой на 3 минуты с дальнейшим перемещением. В русифицированных приемниках L1 такая программа позволяет снимать открытые пространства. Расстояние баз – не более 20 км, время стоянки – около 180 секунд.

Основной современный режим ГНСС-системы. Подходит для топографических процессов. База зависает над известными локациями, передавая правки роверу. Трекер принимает импульсы, выдает свои координаты с максимальной точностью. Погрешность – не более 10 мм.

От чего зависит точность GNSS-приемника

Точность приемника зависит от наличия на пути сигнала деревьев, зданий. Для корректной работы трекера достаточно 4 общих сателлитов. Также негативно сказывается на характеристиках оборудования увеличенное электромагнитное поле, которое создают военные объекты, промышленные комплексы, ЛЭП. Функционирование навигатора ухудшается на большой скорости транспорта.

Где купить GNSS-оборудование

Купить комплексные системы спутникового слежения можно в специализированных магазинах или через официального дилера на торговой онлайн-площадке. Необходимо обращать внимание на бренд, отзывы пользователей, предоставление гарантий. В магазинах могут действовать скидки. Цена приспособлений зависит от комплектации, функционала, категории оборудования. Стоимость бытовых моделей – от 260 000 рублей. Цены на прокат оборудования значительно ниже.

К примеру, цена приемника EFT M1 GNSS варьирует от 179 000 до 250 000 рублей. Стоимость моделей EFT M2 GNSS и EFT M3 GNSS начинается от 300 000 рублей.

GNSS-оборудование используется во многих сферах, обеспечивая ряд важных функций. Пользоваться услугой определения координат можно с ПК или мобильного устройства. Нужно скачать с сайта производителя подходящее приложение на «Виндовс» или Android, запустить, настроить его.

Источник

Глобальные системы спутникового позиционирования: архитектура, уязвимость, альтернативы

Водомерка на подвеске. О концепте тендера на подводных крыльях Futur-E

Что тебе подарить, человек мой дорогой?

Глобальные системы спутникового позиционирования (GNSS) невероятно удобны и в то же время весьма уязвимы. Разбираемся в том, чем чреват их отказ, что такое джамминг и спуфинг и какие альтернативы спутниковой навигации в море существуют.

Привычка — страшная сила. Неограниченная возможность бесплатно пользоваться GNSS настолько глубоко вошла в наш быт, что обычные люди уже с трудом представляют, как выглядела бы их жизнь без этого всегда доступного помощника. Предлагаю немного пофантазировать.

Вообразите, что однажды вы проснулись и обнаружили сообщение от охранной системы с предупреждением, что ваша яхта находится за несколько тысяч миль от марины, в которой вы оставили ее накануне. Полагаю, вы не поддались панике, ведь в яхт-клубе вас хорошо знают и присматривают за вашей лодкой, как за своей. Да и как 30-метровое судно за ночь может переместиться на другой конец Европы?! Однако, позавтракав, вы все же решаете доехать до марины, тем более что погода хорошая и можно дойти до соседней бухты.

Добраться в порт оказывается неожиданно сложно: машин на дорогах больше обычного, по какой-то причине они едут медленно и останавливаются в неподходящих местах. Бывает, думаете вы, мало ли что… Ваша яхта, разумеется, стоит там, где должна, но вас удивляет столпотворение в акватории марины: такое впечатление, что все ждут смельчака, который решится первым выйти по узкому извилистому фарватеру на открытую воду. Понемногу затор рассасывается, но яхты далеко не расходятся, а встают на якорь в зоне прямой видимости. Вы звоните друзьям и предлагаете им провести день вместе. Те просят прислать координаты, но у вас не получается: смартфон не только не может определить ваше местоположение, но показывает какое-то странное время и неверную дату. Тут вас осеняет, и вы понимаете, что виной всему — неработающая навигация. Стараясь не паниковать, вы все еще надеетесь выйти в море и начинаете перебирать в голове возможные затруднения, с которыми придется столкнуться. Вслепую идти страшно, так как можно наскочить на банку, коих в этих водах множество, а случись что, аварийные системы не передадут спасателям координаты тонущего судна или человека за бортом. Можно забыть про умные системы швартовки вроде DockSense и уж точно нельзя оставить яхту на якоре и отправиться на тузике в ресторан: если судно покинет заданную геозону, сигнализация не сработает. Вы даже не сможете точно определить, с какой скоростью движется ваша лодка!

А еще не получится купить свежую рыбу на рынке, так как все рыболовные суда остались у причалов — не смогли выйти на точки лова. Да и вообще с продуктами возникнет проблема: полки супермаркетов стремительно опустеют из-за того, что товары не прибыли вовремя. Паника в городе продолжит нарастать, и вы поймете, что лучше вернуться домой. На выезде из марины к тому времени уже образуется пробка, а попытка вызвать такси не даст результата. Город захлебнется в транспортном коллапсе, где службы спасения пытаются найти пострадавших и помочь им. Добравшись наконец до дома, вы поймете, что часть его умных функций не работает, как не работает телевизионное вещание, мобильный и городской телефоны…

Сценарий в чем-то апокалиптический, но именно так могут развиваться события, если глобальные спутниковые системы позиционирования внезапно перестанут работать из-за технического сбоя или намеренно созданных помех. Примеры известны: 2 апреля 2014 года все 24 спутника ГЛОНАСС одновременно вышли из строя на 11 часов, а спустя две недели был еще один серьезный сбой, когда восемь спутников отказали на полчаса, а девятый так и не заработал. Чтобы не допустить коллапса критически важной инфраструктуры, многие страны своими силами или в коалициях работают над созданием альтернативных PNT-систем, а также ищут способы защиты GNSS от искусственных помех и ложных сигналов.

Архитектура GNSS

Сегодня в мире работают четыре глобальные системы позиционирования: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), BeiDou (Китай) и Galileo (Евросоюз). Их навигационные спутники расположены на средних околоземных орбитах
(20−22 тыс. км над уровнем моря) с орбитальным периодом около 12 часов. Над поверхностью планеты они движутся довольно быстро (орбитальная скорость порядка 14−15 тыс. км/ч), поэтому скорость движения вашего приемника сигнала для работы GNSS не имеет значения — она все равно относительно мала, будь то морское или воздушное судно. Чтобы построить глобальную систему с хорошим покрытием, всего требуется 24−30 спутников, которые можно по-разному распределить по орбитальным плоскостям. Например, у GPS шесть плоскостей, на каждой из которых находятся по четыре спутника, тогда как у остальных GNSS по три орбитальные плоскости с восемью‑десятью спутниками.

Другое принципиальное различие между системами кроется в модуляции радиосигнала. Так, ГЛОНАСС использует разные частоты для каждого спутника, тогда как в остальных GNSS задействована кодовая модуляция. Координирует работу GNSS международный комитет (The International Committee on Global Navigation Satellite Systems), который является частью ООН; его участники добровольно вносят свой вклад в развитие навигационных систем и улучшают их совместимость для гражданского применения.

Схема околоземных орбит и положения группировок спутников

Помимо глобальных, существуют также региональные спутниковые навигационные системы (RNSS). Например, до появления BeiDou над Китаем работала региональная группировка спутников Compass, расположенных на близких к геостационарной орбитах. Похожая система есть в Индии (IRNSS, Indian Regional Navigation Satellite System) и Японии (QZSS, Quasi-Zenith Satellite System, четыре спутника). Задача последней — дополнять GPS в регионе за счет улучшения доступности сигнала в городских «каньонах», повышать точность и надежность навигации. IRNSS, которую после запуска переименовали в NAVIC (NAVigation with Indian Constellation), включает восемь спутников и, в отличие от QZSS, способна обеспечить независимую навигацию в регионе.

Наконец, GNSS дополняют спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS, Satellite Based Augmentation System), призванные повысить точность сигнала за счет использования геостационарных спутников и наземных базовых станций мониторинга (RIMS).

Уязвимости GNSS

Глобальные спутниковые системы позиционирования оказываются уязвимыми не только перед не зависящими от человека факторами, среди которых солнечная активность, мерцание радиосигнала, атмосферные явления, сегментные ошибки (сбои в часах и положении спутников) и ошибки из-за многократного отражения сигнала. За последнее десятилетие резко возросло количество атак на сигналы GNSS, среди которых превалирует создание преднамеренных радиопомех (джамминг) и трансляция ложного сигнала (спуфинг). Поскольку подобные атаки опасны и непредсказуемы, европейское агентство по GNSS запустило проект STRIKE3, в рамках которого спроектировали, развернули и эксплуатируют международную систему мониторинга помех GNSS с единой базой данных. Она необходима для того, чтобы хорошо понимать сцены атак, смягчать последствия помех и научиться защищать критическую инфраструктуру, которая далеко не ограничивается транспортом. Оборудование STRIKE3 установили на 50 площадках в 21 стране (России и США среди них нет, зато есть Канада, Новая Зеландия, Япония и несколько азиатских стран). Антенны и приборы для обнаружения помех размещали в аэропортах и рядом с наземными системами контроля и коррекции, в центрах крупных городов, в портах, на электростанциях и автомагистралях, в банках, на пограничных переходах и железнодорожных станциях. Задействованное оборудование позволяет определить, на какой частоте и с какой мощностью работает один или несколько джаммеров, а последующая аналитика оценивает влияние помех на точность позиционирования.

За три года (2016−2019) в базе данных STRIKE3 появилось более полумиллиона записей, около 70 000 из которых пришлось на преднамеренные радиопомехи. Исследователи обнаружили 7326 «глушилок» разной мощности, нацеленных именно на частоты GNSS, при этом среди них оказались и мобильные варианты, которые засветились на разных контрольных площадках.

Зарегистрированные случаи предполагаемых помех для GPS (по данным ASRS)

Не зависящие от человека уязвимости GNSS

Примеров масштабного спуфинга в действии тоже достаточно. Жители Санкт-Петербурга, возможно, помнят историю от 27 декабря 2016 года, когда автомобильные навигаторы вдруг массово «перенесли» водителей из центра города в окрестности аэропорта Пулково. В сентябре 2017 года больше 20 судов в одном из регионов Черного моря сообщили о помехах в приеме GPS-сигнала (снижение точности) и неверно определенном местоположении (ошибка составила порядка 20 миль). В том же месяце на конференции Института навигации в американском Портленде свыше сотни смартфонов внезапно «отправились» через океан в прошлое: время на них откатилось на 12 января 2014 года, а навигаторы сообщали, что устройства находятся где-то в Европе. Интересно, что некоторые смартфоны вернулись в норму через несколько минут, тогда как другим понадобились часы, а по меньшей мере один вообще превратился в «кирпич», причем его так и не удалось восстановить. Проведенное расследование показало, что на выставочном стенде одного из участников произошла непреднамеренная утечка высокочастотного излучения…

В прошлом году в районе порта Шанхая многие суда подверглись странному спуфингу: ложный сигнал GNSS расположил их координаты в виде правильных кругов на берегу реки. Это первый случай такого сложного спуфинга, источник которого до сих пор даже не определен, хотя некоторые спекуляции связывают атаку с действиями пиратов или тех, кто хотел повлиять на ситуацию с эмбарго иранской нефти. Тот факт, что источник ложного сигнала был не в центре кругов, говорит об использовании комплексного оборудования, которое доступно или властям, или организованным преступным группировкам.

Зависящие от человека уязвимости GNSS

Спуфинг пока менее распространен по сравнению с джаммингом, но приемы «обмана» GNSS-приемников постоянно находят новое применение и, например, часто используются для борьбы с дронами. Если рассматривать спуфинг в качестве инструмента для хакеров, то он наверняка окажется полезным при разработке сложных алгоритмов социальной инженерии, когда злоумышленник пытается заставить капитана действовать определенным образом. Помимо передачи ложного сигнала, у хакеров существуют более хитроумные способы осуществления незаметных атак на низкоуровневые электронные компоненты GNSS, к примеру, через модификации прошивок, которые трудно выявить без визуального осмотра прибора или глубокого криминалистического анализа.

Как защититься?

Лучшая защита от помех и ложного сигнала — это максимальное дистанцирование от их источника, что возможно не всегда. Самолеты, например, могут сменить эшелон на более высокий (при условии, что источник помех на земле), а на суше помогает заглубление в грунт, но у судов таких возможностей нет. Использование мультисистемных GNSS-приемников с алгоритмами фильтрации помех — полумера, так как современные джаммеры тоже, как правило, многочастотные, а фильтрация снижает качество полезного сигнала.

Более эффективной мерой защиты от помех являются различные способы разнесения сигнала: временнóе, пространственное или частотное, — которые используются в адаптивных антенных решетках. Изделия вроде Orolia 8230AJ GPS/GNSS Anti-Jam Outdoor Antenna, NovAtel GAJT‑710MS Anti-Jam Antenna и Raytheon Landshield изначально разработаны для нужд военных и числятся в списках товаров двойного назначения, однако не исключено, что скоро на рынке появятся их гражданские аналоги. Стоит отметить, что подобные антенны бессильны против спуфинга, поэтому капитану и штурману всегда необходимо быть начеку, руководствоваться здравым смыслом и уметь пользоваться хотя бы двумя альтернативными методами навигации.

Альтернатива GNSS

Сегодня мировой флот насчитывает десятки тысяч коммерческих судов и миллионы прогулочных. С 1960-х годов грузовые суда выросли в размерах почти на порядок, а их число за последние 15 лет удвоилось. Неуклонно повышается и количество навигационных опасностей: на шельфе тысячами «высаживают» ветрогенераторы, развивается марикультура; появляются закрытые для навигации зоны, которые хорошо отрисованы на карте, но границы которых порой не так просто определить в море. Наконец, постепенно формируется флот беспилотных судов, которые всецело зависят от GNSS. Отсюда местами на воде становится слишком тесно, причем ситуация постоянно усложняется, и для безопасного движения в море необходимо повышать надежность бортовых навигационных систем.

«Всецело полагаться на космические системы позиционирования опасно, так как рано или поздно с ними возникнут проблемы, — говорит Дана Говард, президент фонда Resilient Navigation and Timing. — Такие страны, как Россия, Китай, Южная Корея, Иран и Саудовская Аравия, хорошо понимают это и разработали наземные системы PNT (Positioning, Navigation and Timing). Первое правило хорошего штурмана — использовать все доступные инструменты для определения местоположения, и сегодня в нашем распоряжении гораздо больше разных инструментов, чем тот набор, которым мы пользуемся. Однако для введения в эксплуатацию альтернативных инструментов нужны политическая воля и экономическая поддержка».

Прогнозы оценивают прямой ущерб судоходству Великобритании в случае отказа GNSS на пять дней в миллиард фунтов, тогда как общий ущерб при этом превысит £ 5 млрд. Косвенные потери окажутся еще больше, ведь, помимо прочего, на GNSS завязана безопасность. Неудивительно, что власти задумываются об альтернативных PNT-системах, которые смогут заменить GNSS в случае отказа последних или в тех местах, где они недоступны.

Сравнение PNT-систем по разным наборам требований

дададанетнетнетНавигационное счисление

в течение трех часов

данетнетнетнетнетНавигационное счисление + автоматический секстан

данетнетнетнетнет

Примечание 1: Достичь такого уровня покрытия теоретически возможно, но не практично.

Примечание 2: Зависит от зрелости технологии.

Примечание 3: Требования удовлетворяются на расстоянии до 30 км от берега, но не в диапазоне 30−100 км.

В связи с этим Европейское космическое агентство в рамках программы NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme) запустило проект MARRINAV, который направлен на изучение уязвимостей, нарушающих устойчивость и целостность GNSS-навигации в море. В число его участников входит Университет Ноттингема, UK General Lighthouse Authorities и такие компании, как NLA International, BMT и Terra Fix. Примечательно, что всесторонние отчеты MARRINAV выложены в открытом доступе на сайте проекта для всех желающих с ними ознакомиться.

Дублирующие системы

Итак, какие инструменты могут заменить GNSS в море? На глобальном уровне уже работает система STL (Satellite Time and Location), разработанная американской компанией Satelles для «защиты» GPS. Она использует 66 спутников Iridium, которые расположены на низких околоземных орбитах и транслируют независимый от GPS мощный сигнал (на три порядка сильнее), который хорошо проникает в помещения. В STL используется допплеровский эффект, что усложняет создание помех и спуфинг, а также позволяет использовать криптографическую защиту информации. STL способна обеспечить независимую навигацию или может дополнять GPS, когда, например, в зоне видимости недостаточно спутников. Точность позиционирования здесь ниже (15−20 м для неподвижного объекта, чуть хуже — для движущегося), но это компенсируется тем, что STL работает в сложных условиях, где GNSS недоступны.

Другой возможный вариант — основанная на проверенной временем технологии региональная система eLoran, в которой используется длинноволновая, устойчивая к помехам наземная передача мощного сигнала с цифровой обработкой. eLoran способна обеспечить точность позиционирования в пределах 10 м в портах и в пределах 30 м в море, однако, по словам Сергея Губернаторова, генерального директора компании SSG Navigation, данное решение неприменимо на внутренних водных путях России. «Во-первых, это потребует развертывания и обслуживания большого количества цепочек береговых излучающих и контрольно-корректирующих станций с подводом электроэнергии, — говорит Сергей Губернаторов. — Во-вторых, заявленная точность наблюдений изменяется в значительных пределах (20−560 м) даже в дифференциальном режиме, что в большинстве случаев не будет удовлетворять требованиям инструментальной навигации в узкости. Наконец, технология eLoran разработана и полностью контролируется компаниями, расположенными в юрисдикциях, зависимых от НАТО».

В России давно и хорошо работает аналог Loran — система под названием «Чайка», которая обеспечивает навигацию в море, однако для обширных внутренних акваторий России она опять же не годится. На реках радионавигационные системы не эффективны: из-за многократного пересечения радио-волнами подстилающей поверхности с различной электромагнитной проницаемостью точность позиционирования останется в пределах 150−200 м и ниже.

Автоматическое определение координат судна по известным ориентирам с помощью РЛС

Для локального позиционирования, в том числе на реке, потенциально подойдет VDES Ranging Mode (VHF Data Exchange System, точность от 10 до 100 м в зависимости от близости базовых станций AIS), но гораздо более перспективен способ автоматического определения координат судна по радиолокационным ориентирам (Radar Absolute Positioning). Он не требует участия человека для опознания береговых ориентиров и выполнения измерений и обеспечивает точность до 10 м на расстоянии до 12 миль в случае использования когерентной РЛС и минимум двух отражателей. Эта запатентованная методика подразумевает вычисление местоположения судна и поправки курсоуказателя путем автоматического группового опознавания радиолокационных целей, соответствующих картированным радиолокационным ориентирам с известными географическими координатами (радиомаяки, активные и пассивные отражатели).

Еще можно упомянуть австралийскую автономную PNY-систему Locata, которую позиционируют в качестве GPS 2.0. В ее основе лежат наземные синхронизированные приемопередатчики, которые выступают в роли «псевдоспутников» и формируют единую сеть, дополняющую или замещающую GPS. Наконец, рано окончательно списывать со счетов инерциальную навигацию и традиционное навигационное счисление. А вы еще помните, что это такое?

Наземные «псевдоспутники» Locata могут обеспечить дублирование GNSS-навигации в прибрежных акваториях

Источник