eng
Выпуск #6/2025
А. Бекмачев, А. Михеев
ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ МОДУЛИ ГКВ: БОРЬБА СО СПУФИНГОМ И РАСШИРЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ НАВИГАЦИИ
ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ МОДУЛИ ГКВ: БОРЬБА СО СПУФИНГОМ И РАСШИРЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ НАВИГАЦИИ
Просмотры: 1209
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.247.6.92.97
Спуфинг глобальных навигационных систем может приводить к искажению данных о местоположении, что особенно опасно для воздушного и морского транспорта. В статье обсуждаются решения компании «Лаборатория Микроприборов» для автономной инерциальной навигации, способные противостоять спуфингу.
Спуфинг глобальных навигационных систем может приводить к искажению данных о местоположении, что особенно опасно для воздушного и морского транспорта. В статье обсуждаются решения компании «Лаборатория Микроприборов» для автономной инерциальной навигации, способные противостоять спуфингу.
Теги: autonomous inertial navigation global navigation satellite systems glonass gps jamming спуфинг spoofing автономная инерциальная навигация глобальные навигационные спутниковые системы глонасс джамминг
Инерциальные модули ГКВ:
борьба со спуфингом и расширенные возможности для навигации
А. Бекмачев, А. Михеев
Спуфинг подразумевает передачу поддельных сигналов, выдаваемых за легитимные, с целью обмануть навигационные устройства и заставить их считать, что они находятся в другом месте. Спуфинг глобальных навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, сегодня представляет собой серьезную проблему, поскольку он может приводить к искажению данных о местоположении, что особенно опасно для воздушного
и морского транспорта. В статье обсуждаются технические решения компании «Лаборатория Микроприборов» для автономной инерциальной навигации, способные противостоять спуфингу.
Спуфинг стал ощутимой «головной болью» не только в области обороны, но и в повседневной хозяйственной деятельности. Проблемы ориентирования в условиях помех затрагивают телематические сервисы, навигацию в городских условиях, маневрирование вблизи и на территории морских и речных портов, аэронавигацию. Помехи приему сигналов глобальных систем спутниковой навигации (ГНСС) чреваты не только экономическим уроном, но также представляют опасность для жизни и здоровья людей. Поэтому сейчас остро востребованы технические решения, которые спасают жизни в воздухе, на дороге и на воде.
Сегодня существуют два «рукотворных» способа наведения помех на приемники ГНСС – джамминг и спуфинг. Кроме того, имеется комплекс техногенных и природных причин ослабления и искажения сигналов навигации, которые транслируются с геостационарных спутников Земли, например, ионосферная сцинтилляция.
Джамминг (jamming) подразумевает подавление или глушение полезного сигнала широкополосным шумоподобным сигналом. Он может быть непреднамеренным, например, вызванным паразитным излучением находящихся поблизости приемно-передающих устройств, но чаще всего представляет собой инструмент преднамеренного нарушения приема сигнала ГНСС. Сравнительная дешевизна и «прямолинейность» джамминга являются одновременно и ограничивающими факторами его применения. Постоянный мониторинг радиоэфира позволяет своевременно и с большой достоверностью установить факт и источник трансляции помехового сигнала.
Гораздо более точным и эффективным инструментом РЭБ является спуфинг (spoofing) – подмена сигнала ГНСС. Суть спуфинга состоит в передаче сложной имитационной помехи на приемник ГНСС. Противодействие спуфингу требует реализации адаптивных и комплексных решений, включающих специализированную аппаратную и программно-аналитическую составляющие.
Поиск методов борьбы со спуфингом сегодня ведется по нескольким направлениям, однако до появления навигационных устройств, основанных на новых физических принципах, наиболее действенным подходом остается применение методов и компонентов автономной инерциальной навигации во время действия достоверно идентифицированной имитационной помехи. Вариант зарубежного технического решения для БПЛА, целью которого является преодоление зоны с ненадежными или искаженными сигналами спутниковой навигации, приведен на рис. 1. В этом решении полетный контроллер выпускаемой серийно модели дополнен внешним счетно-решающим устройством, получающим данные от приемника воздушного давления, высокоточного магнитного компаса и антенны с управляемой диаграммой направленности.
Работы в этом направлении ведутся и отечественными специалистами. Один из ведущих производителей блоков инерциальных датчиков и поставщик навигационных решений, компания «Лаборатория Микроприборов» (ООО «ЛМП»), разработал семейство инерциальных модулей ГКВ для решения широкого спектра задач навигации.
Основные области применения инерциальных модулей серий ГКВ-10 и ГКВ-5:
Наибольших успехов компания достигла в области длительной автономной навигации сухопутных транспортных средств. Начиная с 2019 года компании-финалисты таких конкурсов, как «Зимний город» и «Пятый уровень», применяют в своих решениях модули и ПО от ООО «ЛМП» (рис. 2).
В основе решений компании – разработанный в «Лаборатории Микроприборов» алгоритм длительной автономной навигации по модели автомобиля и интеграция дополнительных измерений от внешних корректоров: лидаров, радаров, одометров. Преимуществами разработанной модели являются постоянная коррекция углов крена и тангажа, а также длительное время навигации с относительно небольшой вычисленной ошибкой.
Реально достижимые параметры точности ориентации и навигации для наземного транспорта, оборудованного модулями серии ГКВ, приведены в табл. 1–3. Из табл. 3
можно увидеть, что модель автомобиля имеет предел возможностей и не вносит значимого улучшения в ошибку курса. Очевидно, что для таких задач требуется дополнительный источник курсовой информации.
Для помощи своим клиентам компания выпустила руководство «Сценарий использования датчиков серии ГКВ на автомобиле», доступное для загрузки с сайта ООО «ЛМП» [1]. Пользователи имеют возможность дополнить фильтр базового алгоритма собственными (внешними) измерениями курса, скорости в навигационной или связанной системе координат, координатами, ориентацией полной и высотой. Кроме того, потребитель, знающий специфику поведения своего объекта управления, может применить такие улучшающие навигацию параметры, как момент применения измерений, тип измерения, время измерений, статус ответа и оценка точности измерений.
Необходимо упомянуть также новый программный модуль встроенного ПО, призванный помочь в противодействии спуфингу. Этот модуль реализует процедуру идентификации и пропуска ложных измерений, которая обнаруживает и отрабатывает как события собственно спуфинга, так и недостоверные блоки навигационной информации от других источников. Показатель NIS (нормализованный квадрат инноваций) используется для проверки согласованности фильтра Калмана с учетом невязки измерений ν(k) и соответствующей ковариационной матрицы инноваций S(k), участвующей в построении навигационного решения. Пример работы модернизированного ПО приведен на рис. 3, на котором показано, что данные измерений, признанные недостоверными, не учитываются при построении трека в условиях городской застройки.
Для задач воздушной навигации предпочтительными решениями являются компактный модуль облегченной конструкции ГКВ-5 и модификации со встроенными приемниками ГНСС – ГКВ-6 и ГКВ-7 (двухантенный). Модуль ГКВ-5 «обучен» аппаратному и программному взаимодействию с внешним приемником, оснащенным помехозащищенной фазированной антенной ГНСС – CRPA.
При недостоверном или отсутствующем сигнале ГНСС для навигации БПЛА хорошим подспорьем могут стать заранее подготовленный фотоплан местности, карта магнитных аномалий или наземные ориентиры. Как показала практика применения модулей ГКВ, альтернативным внешним источником курсовой информации может служить также уровень мощности принимаемого антенной SOTM сигнала геостационарного спутника.
Но такие «комфортные» условия не всегда достижимы по организационным и техническим причинам. Поэтому разработчики модулей ГКВ в максимальной степени реализовали потенциал имеющихся в составе изделия дополнительных датчиков – магнитометра и барометра-высотомера.
В связи с тем, что на земле калибровка магнитометра осложнена внешним магнитным излучением, эта процедура производится на начальном этапе полета посредством специального программного фильтра и особой тактики пилотирования, обеспечивающей надежное определение курса. В дальнейшем, после отключения измерений координат и скоростей по ГНСС, встроенным микропрограммным обеспечением производится коррекция навигационного решения с учетом ранее накопленных данных. Решение об отказе от использования данных ГНСС принимается автоматически или после команды оператора – на основе упомянутого ранее показателя NIS, выставляющего «флаг» спуфинга. С этого момента приоритетный расчет навигации выполняется на основе данных инерциальных датчиков и дополнительных источников до того момента, пока микроПО не найдет сигнал ГНСС, которому можно доверять.
В настоящий момент с участием заинтересованных заказчиков ведутся работы по увеличению времени автономной работы алгоритма навигации без ГНСС. Кроме описанной процедуры калибровки магнитометра в полете, при натурных испытаниях отрабатываются программные настройки интеграции с датчиком барометрической высоты, автоматическое вычисление скорости ветра на этапе полета в зоне приема достоверных сигналов ГНСС и автоматическая подстройка датчика воздушного потока (ДВП).
ООО «ЛМП» также ведет работы по созданию надежных навигационных решений для водного транспорта без опоры на сигналы ГНСС. В этом случае приоритетная роль отводится интеграции инерциальной системы с допплеровским лагом. Полученные ко времени публикации этой статьи результаты опытной эксплуатации в составе судового оборудования дают повод для оптимизма.
Решая текущие прикладные задачи, подобные борьбе со спуфингом, «Лаборатория Микроприборов» уделяет внимание и импортозамещению. Анонсированы новые компактные инерциальные модули, которые являются преемниками программно-аппаратных решений прежних серий ГВК. При этом новинки обеспечивают совместимую по выводам (pin-to-pin) замену для широко применяемых в стране зарубежных изделий. Один из планируемых к выпуску модулей совместим с инерциальным измерительным блоком Xsens MTi-1, а другая модель может служить заменой семейства Epson G330/G365/G366/G370 (рис. 4, 5).
ЛИТЕРАТУРА
https://mp-lab.ru/сценарий-использования-датчиков-сер/
борьба со спуфингом и расширенные возможности для навигации
А. Бекмачев, А. Михеев
Спуфинг подразумевает передачу поддельных сигналов, выдаваемых за легитимные, с целью обмануть навигационные устройства и заставить их считать, что они находятся в другом месте. Спуфинг глобальных навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, сегодня представляет собой серьезную проблему, поскольку он может приводить к искажению данных о местоположении, что особенно опасно для воздушного
и морского транспорта. В статье обсуждаются технические решения компании «Лаборатория Микроприборов» для автономной инерциальной навигации, способные противостоять спуфингу.
Спуфинг стал ощутимой «головной болью» не только в области обороны, но и в повседневной хозяйственной деятельности. Проблемы ориентирования в условиях помех затрагивают телематические сервисы, навигацию в городских условиях, маневрирование вблизи и на территории морских и речных портов, аэронавигацию. Помехи приему сигналов глобальных систем спутниковой навигации (ГНСС) чреваты не только экономическим уроном, но также представляют опасность для жизни и здоровья людей. Поэтому сейчас остро востребованы технические решения, которые спасают жизни в воздухе, на дороге и на воде.
Сегодня существуют два «рукотворных» способа наведения помех на приемники ГНСС – джамминг и спуфинг. Кроме того, имеется комплекс техногенных и природных причин ослабления и искажения сигналов навигации, которые транслируются с геостационарных спутников Земли, например, ионосферная сцинтилляция.
Джамминг (jamming) подразумевает подавление или глушение полезного сигнала широкополосным шумоподобным сигналом. Он может быть непреднамеренным, например, вызванным паразитным излучением находящихся поблизости приемно-передающих устройств, но чаще всего представляет собой инструмент преднамеренного нарушения приема сигнала ГНСС. Сравнительная дешевизна и «прямолинейность» джамминга являются одновременно и ограничивающими факторами его применения. Постоянный мониторинг радиоэфира позволяет своевременно и с большой достоверностью установить факт и источник трансляции помехового сигнала.
Гораздо более точным и эффективным инструментом РЭБ является спуфинг (spoofing) – подмена сигнала ГНСС. Суть спуфинга состоит в передаче сложной имитационной помехи на приемник ГНСС. Противодействие спуфингу требует реализации адаптивных и комплексных решений, включающих специализированную аппаратную и программно-аналитическую составляющие.
Поиск методов борьбы со спуфингом сегодня ведется по нескольким направлениям, однако до появления навигационных устройств, основанных на новых физических принципах, наиболее действенным подходом остается применение методов и компонентов автономной инерциальной навигации во время действия достоверно идентифицированной имитационной помехи. Вариант зарубежного технического решения для БПЛА, целью которого является преодоление зоны с ненадежными или искаженными сигналами спутниковой навигации, приведен на рис. 1. В этом решении полетный контроллер выпускаемой серийно модели дополнен внешним счетно-решающим устройством, получающим данные от приемника воздушного давления, высокоточного магнитного компаса и антенны с управляемой диаграммой направленности.
Работы в этом направлении ведутся и отечественными специалистами. Один из ведущих производителей блоков инерциальных датчиков и поставщик навигационных решений, компания «Лаборатория Микроприборов» (ООО «ЛМП»), разработал семейство инерциальных модулей ГКВ для решения широкого спектра задач навигации.
Основные области применения инерциальных модулей серий ГКВ-10 и ГКВ-5:
- навигация беспилотного наземного и водного транспорта;
- навигация БПЛА;
- блоки дублирующих инерциальных датчиков для автопилота;
- вычисление траектории полета;
- управление спутниковыми антеннами SOTM в движении;
- удержание направления в контуре стабилизации камеры.
Наибольших успехов компания достигла в области длительной автономной навигации сухопутных транспортных средств. Начиная с 2019 года компании-финалисты таких конкурсов, как «Зимний город» и «Пятый уровень», применяют в своих решениях модули и ПО от ООО «ЛМП» (рис. 2).
В основе решений компании – разработанный в «Лаборатории Микроприборов» алгоритм длительной автономной навигации по модели автомобиля и интеграция дополнительных измерений от внешних корректоров: лидаров, радаров, одометров. Преимуществами разработанной модели являются постоянная коррекция углов крена и тангажа, а также длительное время навигации с относительно небольшой вычисленной ошибкой.
Реально достижимые параметры точности ориентации и навигации для наземного транспорта, оборудованного модулями серии ГКВ, приведены в табл. 1–3. Из табл. 3
можно увидеть, что модель автомобиля имеет предел возможностей и не вносит значимого улучшения в ошибку курса. Очевидно, что для таких задач требуется дополнительный источник курсовой информации.
Для помощи своим клиентам компания выпустила руководство «Сценарий использования датчиков серии ГКВ на автомобиле», доступное для загрузки с сайта ООО «ЛМП» [1]. Пользователи имеют возможность дополнить фильтр базового алгоритма собственными (внешними) измерениями курса, скорости в навигационной или связанной системе координат, координатами, ориентацией полной и высотой. Кроме того, потребитель, знающий специфику поведения своего объекта управления, может применить такие улучшающие навигацию параметры, как момент применения измерений, тип измерения, время измерений, статус ответа и оценка точности измерений.
Необходимо упомянуть также новый программный модуль встроенного ПО, призванный помочь в противодействии спуфингу. Этот модуль реализует процедуру идентификации и пропуска ложных измерений, которая обнаруживает и отрабатывает как события собственно спуфинга, так и недостоверные блоки навигационной информации от других источников. Показатель NIS (нормализованный квадрат инноваций) используется для проверки согласованности фильтра Калмана с учетом невязки измерений ν(k) и соответствующей ковариационной матрицы инноваций S(k), участвующей в построении навигационного решения. Пример работы модернизированного ПО приведен на рис. 3, на котором показано, что данные измерений, признанные недостоверными, не учитываются при построении трека в условиях городской застройки.
Для задач воздушной навигации предпочтительными решениями являются компактный модуль облегченной конструкции ГКВ-5 и модификации со встроенными приемниками ГНСС – ГКВ-6 и ГКВ-7 (двухантенный). Модуль ГКВ-5 «обучен» аппаратному и программному взаимодействию с внешним приемником, оснащенным помехозащищенной фазированной антенной ГНСС – CRPA.
При недостоверном или отсутствующем сигнале ГНСС для навигации БПЛА хорошим подспорьем могут стать заранее подготовленный фотоплан местности, карта магнитных аномалий или наземные ориентиры. Как показала практика применения модулей ГКВ, альтернативным внешним источником курсовой информации может служить также уровень мощности принимаемого антенной SOTM сигнала геостационарного спутника.
Но такие «комфортные» условия не всегда достижимы по организационным и техническим причинам. Поэтому разработчики модулей ГКВ в максимальной степени реализовали потенциал имеющихся в составе изделия дополнительных датчиков – магнитометра и барометра-высотомера.
В связи с тем, что на земле калибровка магнитометра осложнена внешним магнитным излучением, эта процедура производится на начальном этапе полета посредством специального программного фильтра и особой тактики пилотирования, обеспечивающей надежное определение курса. В дальнейшем, после отключения измерений координат и скоростей по ГНСС, встроенным микропрограммным обеспечением производится коррекция навигационного решения с учетом ранее накопленных данных. Решение об отказе от использования данных ГНСС принимается автоматически или после команды оператора – на основе упомянутого ранее показателя NIS, выставляющего «флаг» спуфинга. С этого момента приоритетный расчет навигации выполняется на основе данных инерциальных датчиков и дополнительных источников до того момента, пока микроПО не найдет сигнал ГНСС, которому можно доверять.
В настоящий момент с участием заинтересованных заказчиков ведутся работы по увеличению времени автономной работы алгоритма навигации без ГНСС. Кроме описанной процедуры калибровки магнитометра в полете, при натурных испытаниях отрабатываются программные настройки интеграции с датчиком барометрической высоты, автоматическое вычисление скорости ветра на этапе полета в зоне приема достоверных сигналов ГНСС и автоматическая подстройка датчика воздушного потока (ДВП).
ООО «ЛМП» также ведет работы по созданию надежных навигационных решений для водного транспорта без опоры на сигналы ГНСС. В этом случае приоритетная роль отводится интеграции инерциальной системы с допплеровским лагом. Полученные ко времени публикации этой статьи результаты опытной эксплуатации в составе судового оборудования дают повод для оптимизма.
Решая текущие прикладные задачи, подобные борьбе со спуфингом, «Лаборатория Микроприборов» уделяет внимание и импортозамещению. Анонсированы новые компактные инерциальные модули, которые являются преемниками программно-аппаратных решений прежних серий ГВК. При этом новинки обеспечивают совместимую по выводам (pin-to-pin) замену для широко применяемых в стране зарубежных изделий. Один из планируемых к выпуску модулей совместим с инерциальным измерительным блоком Xsens MTi-1, а другая модель может служить заменой семейства Epson G330/G365/G366/G370 (рис. 4, 5).
ЛИТЕРАТУРА
https://mp-lab.ru/сценарий-использования-датчиков-сер/
Отзывы читателей
