CC BY
20ЗАГРОЗИ 1НФОРМАЦП ГЛОБАЛЬНОÏ НАВIГАЦIЙНОÏ СУПУТНИКОВОÏ СИСТЕМ1 ТА
СПОСОБИ ÏX УСУНЕННЯ
Швець В.А.
кандидат технгчних наук, доцент Нацюнальний авгацшний унгверситет, м. Kuïe, Украна
INFORMATION THREATS TO THE GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM AND HOW TO
ELIMINATE THEM
Shvets V.A.
Candidate of Technical Sciences, Associate professor National Aviation University, Kyiv, Ukraine
АНОТАЦ1Я
Рассматривается проблема ограничения доступности и целостности к информации в глобальной спутниковой навигационной системе, что ставит под угрозу эффективное функционирование объектов критической инфраструктуры. На основе исследований Национального авиационного университета предлагаются к реализации организационные способы в виде мониторинга и оценки доступности радионавигационного поля, а также технические решения по обеспечению целостности информации ГНСС - адаптивное управление диаграммой направленности, которое является наиболее эффективным решением по обеспечению доступности и целостности навигационной информации для потребителей.
ABSTRACT
The problem of limiting the availability and integrity of information in the global satellite navigation system is considered, which jeopardizes the effective functioning of objects of critical infrastructure. Based on the research of the National Aviation University, organizational methods are proposed for implementation in the form of monitoring and accessibility of the radio navigation field, as well as technical solutions for ensuring the integrity of GNSS information — adaptive control of the radiation pattern, which is the most effective solution to ensure the availability and integrity of navigation information for consumers.
Ключовi слова: глобальна наыгацшна супутникова система, загроза шформацп, критична шфра-структура, jamming, адаптивна антенна, дiаграма спрямованосп, beamformer, nulling-антена, кореляцшна матриця.
Keywords: global navigation satellite system, information threat, critical infrastructure, jamming, adaptive antenna, pattern, beamformer, nulling-antenna, correlation matrix.
Проблема експлуатацп ГНСС. Сучасний етап розвитку сустльства характеризуеться все бшьш широким використанням координатно-часо-вого забезпечення (КЧЗ), що становить основу ефе-ктивного функцюнування багатьох галузей еконо-Mira i е найважлившою частиною сучасних транспортних систем, цифрових систем телекомушкаци, енергетики, фшансово! i баншвськш сфер^ систем управлшня вшськами i високоточною зброею, яш вщносяться до об'екпв критично! шфраструктури [1].
Однак при експлуатацп глобально! нашгацш-но! супутниково! системи (ГНСС) виявилися факти !х низько! завадостшкосп, що позначаеться на дос-тупносп i цшсносп навтацшних даних [2-8]. Таким чином, уразливють ГНСС е в даний час загаль-новизнаним фактом.
Аналiз дослвджень i публiкацiй. Експлуатащя ГНСС виявила можливiсть вразливостi. Про враз-ливосл цивiльних приймачiв ГНСС було ввдомо давно [3-11], але и рiдко беруть до уваги виробники приймачiв та !х користувачi.
Було проведено шлька аналiзiв вразливостi транспортних систем, заснованих на використанш сигналiв GPS [10 - 18]. Одним з найбшьш важливих i своечасних звтв про дослiдження в цш областi був звiт Центру Волпе [8] про вразливосп GPS, у висновках якого зазначалося, що система GPS, як i
iншi радюнаигацшш системи, вразлива при впливi ненавмисних i навмисних завад i що так завади несуть загрозу безпецi i можуть мати серйозш нас-лiдки для економiки i навколишнього середовища. У звiтi зроблено висновок про те, що зростаюче ви-користання GPS в цив№нш iнфраструктурi робить !! усе б№ш привабливою мiшенню для ворожих дш окремих особистостей i груп. В той же час виявлена комерцшна доступнiсть обладнання для постановки перешкод. Можна сказати що в наявносп е сум-ний факт поширення принципiв радiоелектронно! боротьби на сферу високо! технологi!' супутниково! навтаци, у тому числi й для цив№них застосувань [15-21].
Таким чином, вразливють ГНСС при впливi ненавмисних i навмисних завад е в даний час зага-льновизнаним фактом. Ця вразливiсть в рiвнiй мiрi вiдноситься як до GPS, ГЛОНАСС i ГАЛ1ЛЕО, оскiльки принципи !х побудови i дiапазони частот досить близью.
В Нацюнальному авiацiйному унiверситетi були проведенi власнi дослщження впливу сигналiв завад на яшсть роботи приймача ГНСС в залежно-стi вiд статистичних характеристик завади. Результата випробувань повнiстю описаш роботах ствро-бiтникiв унiверситету [22-24].
Мета. На основi аналiзу шформацшних пото-кiв в ГНСС виявити найменш захищенi мiсця в
crpyKTypi ГНСС та запропонувати способи i'x усу-нення.
Викладення основного матерiалу. Об'екти критично! шфраструктури цивiльного сектору отримують наступну шформацш вiд ГНСС (рис. 1): • енергетика - шформащя ввд ГНСС про
час;
• телекомунтацп - шформацш вщ ГНСС про час та позицш;
• транспорт - шформацш ввд ГНСС про час та позицш;
• фгнанси I бантвська сфера - шформацш ввд ГНСС про час.
Споживач1 нав1гац1йно1 шформацп
Енергетика
Телекомушкащ!
Рис. 1. Об'екти критичноi Шфраструктури, cno:Mueaui навiгацiйноi iнформацii
Основу КЧЗ складають ГНСС, яш представ-ленi в даний час СРНС ГЛОНАСС (Рост) i GPS (США). £вропейське ствтовариство створюе для цих цiлей свою СРНС GALILEO (далi в роботi бу-дуть розглядатися тшьки ГНСС GPS i ГЛОНАСС, тому що вони офщйно eeedeHi в експлуатацiю i ма-ють нормативнi мiжнароднi рекомендацИ до вико-ристання в нав^ацИ).
Для оцшки загроз цшсносп i доступносп ш-формацй' ГНСС розглянемо загальнi принципи по-будови системи.
Супутникова радiонавiгацiйна система склада-еться з п'яти основних сегменпв [2]: • наземний керуючий сегмент;
• космтнии сегмент;
• сегмент користувачгв - приймачi ГНСС;
• сегменти наземних (GBAS) I косм1чних (SBAS) функцюнальних доповнень.
Доповнення GBAS i SBAS включеш 1САО i за-безпечують режим диференщально! супутниково! навпаци, вирiшують завдання контролю цшсносл i доступностi наигацшно! шформацп [2].
На основi повного опису ГНСС представле-ному в [2], зобразимо ГНСС у вигляд узагальнено! схеми (рис. 2), щоб простежити iнформацiйнi потоки i пристро! найбiльш вразливi в плаш захисту шформацп (вразливiсть цiлiсностi та доступносп шформацп).
Наземний керуючий сегмент i космiчний сегмент - об'екти шформацшно! дiяльностi (О1Д), на яких заходи щодо захисту шформацп покладено на державш та вiйськовi органи. Передача шформацп здшснюеться по захищеним каналами зв'язку, тому можна сказати, що порушення цiлiсностi та досту-пностi шформацп в мирний час не юнуе.
Сегмент користувачiв складаеться з приймачiв ГНСС i приймачiв ГНСС з доповненнями GBAS, рь вень сигналу ввд навiгацiйного супутника ГНСС на антеш приймача становить вiд -157дБ до -163дБ [2] Доповнення GBAS - це контрольно-коригува-льна станщя диференцiальних поправок в складi яко! е наземний приймач ГНСС, програмно-апара-тна шдсистема обробки даних i формування повь домлень GBAS, передавач УКХ дiапазону, комп'ю-
терна мережа подключена до Internet, а також система псевдосупутник1в для полшшення нашгацш-ного поля в важко доступно! мюцевосп i в мюцях з високим iнтерферентним рiвнем сигналiв, передача iнформацi! через iнтернет здшснюеться стшкими криптографiчними алгоритмами [2-11]. Доповнення GBAS це автономш малогабаритш системи, як1 розташовуються на поверхш Земл1 i не мають шякого захищеного периметра, тобто до цього об'-екта О1Д е якщо не вiльний доступ, то можна отри-мати доступ за тдробленими документами.
Наприклад: в даний час ведуться переговори про розмiщення доповнення GBAS в Шжнарод-ному аеропорту «Ки!в» iменi 1горя Сiкорського. Це доповнення буде покривати зону точно! навпацп радiусом 300 км (рис. 3). Аеропорт "Бориспшь", "Ки!в", злггш смуги концерну "Антонов" в Киевi i
Гостомел^ злгтна смуга в Васильков^ Бiлiй Церквi, Узинi, Кропивницькому, KpeMeH4yKi, Хмельниць-кому, BiHHuui.
МиколаГв
КИШИКНВ Херсон
Тиргу-Муреш Chiçinâu^ I Одесак
Рис. 3. Зона покриття доповнення GBAS, яке буде розташовано у аеропорту "Kuïe "
Як що на цей об'ект буде скоена навить теро-ристична шбератака використання точно! навiгацiï буде неможливо в зонi дiï GBAS.
Доповнення SBAS ^м космiчноï складовоï мае наземну мережу станцiй монiторингy i збору даних ГНСС, яш отримують iнформацiю вiд прий-мача ГНСС [2-11].
Вимоги до експлуатацшних характеристик ГНСС стосовно застосування на об'ектах критичноï шфраструктури наведет в [2,8,25-30].
Найважлившою особливютю сигналiв ГНСС е ïx низький рiвень потyжностi на антеш приймача ГНСС яка становить приблизно 10-16 Вт. Тому не-навмиснi та навмиснi завади знижують продуктив-нiсть приймача ГНСС. Захист ввд ненавмисних завад проводиться на етат розробки ГНСС ïï впрова-дження i органiзацiï експлуатацп.
3i сказаного вище можна зробити висновок, що приймач ГНСС - пристрш найбiльш вразливий в плат доступносп i цiлiсностi навiгацiйноï шформацп, тому що слабкий сигнал ввд супутника ГНСС можна приховати в бiльш сильному сигналi ввд генератора з частотним дiапазоном ГНСС, така за-гроза отримала назву jamming-атака [2-11]. У той же час технологш псевдоспyтнiков можна викори-стовувати для порушення цшсносл iнформацiï вiд
реальних сyпyтникiв ГНСС шляхом шдмши 1'х сиг-налiв, так звана iнтелектyальна перешкода. Така за-гроза отримала назву spoofing-атака [3-11].
Важливою науковою проблемою е захист ввд навмисних завад. Захист ввд навмисних завад подь ляеться на два напрямки [21,31,32]:
- антi-jamming - захист ввд силового приду-шення (порушення доступносп та цiлiсностi шфор-мацiï ГНСС) ;
- антi-spoofing - захист ввд iнтелектyального придушення (порушення цшсносп шформацп ГНСС).
Ц два напрямки являють собою незалежн на-yковi проблеми, якi вимагають рiзниx напрямкiв наукових дослщжень.
В роботi пропонуються способи захисту ввд антi-jamming, тобто забезпечення достyпностi та щ-лiсностi шформацп ГНСС апаратури споживачiв.
Напрямки по компенсацп перешкод даються в документах 1САО [26,27] i дiляться на оргашзацшш заходи та теxнiчнi заходи.
В даний час свгтова наигацшна спiльнота вже чiтко сформулювала напрями антi-jamming [7,8,10,11,20,21,31-36] (рис. 4).
Рис. 4. Напрямки компенсацИ завад ГНСС
Таблиця 1
Заходи по. шипения апаратури споживача ГНСС до завад_
№ Заходи завадостшкосп Можливий ви-граш по водно -шенню до стан-дартних прийма-чОв ГНСС, дБ Можливий прирют вартосп по вщно-шенню до станда-ртних приймачiв ГНСС, % Примири
п/п
1 Полшшення дiаграми спря-мованостi антени (ДСА) приймальних антен на ма-лих кутах поднесения 10 - 15 30 Реально, у вах системах споживачiв
2 Управлiння ДСА, зменшуе чутливють в напрямку дже-рела перешкод (beamforming- антенна) 20 - 25 До 100 Практично ефективний по одному постановнику завади, потрОбно знання направлення на постано-вник завад
3 Упраелтня ДСА, зменшуе чутливiсть в напрямку дже-рела перешкод (nullingng-антенна) до 80 До 100 Практично ефективний по де шльком постанов-ник1в завади, не потрОбно знання направлення на постановник завад
4 Антенна решiтка з поляри-защею сигналу 10 - 15 До 50 Дде не в уах умовах за-стосування
5 Полiпшения обробки сигна-лiв у приймачi до 20 5 - 10 ПотрОбш дослщження з можливими методами реалiзацi!. Не можливо реалiзувати в дшчих приймачах ГНСС
6 Комбiнуваиня приймача ГНСС з 1НС 10 - 15 10 - 300 Вартють визначаеться рiвнем 1НС i мае тенден-ци до зниження
7 Використання двочастот-них приймачiв L1, L2 5 20 - 30
8 Використання багато часто-тних приймачiв 8 40 - 50
Iнформацiя в табл. 1 розкривае напрям по анп-jamming при полшшенш апаратури споживачiв до-сто!нства i недолiки перерахованi в примггках.
Полiпшення якостi сигналу (рис. 4):
- пiдвищення рiвня сигналу ГНСС, як недолж цього напряму потреба в додатковому зовнiшньому обладнанш яке буде неефективно при значному великому енергетичному рiвнi завади;
- пiдвищення завадостiйкостi сигналу, щ заходи проводяться на передавальнш сторонi i як не-долж це довга i дорога модершзащя космiчного сегменту ГНСС або введения ново! системи ГНСС (наприклад ГНСС GALIEO).
Органiзацiйнi методи компенсаци завад (рис. 4). Проведення оргашзацшних заходiв по забезпе-ченню цшсносп та доступностi iнформацi! ГНСС це вимоги 1САО та 1МО, як! необхщно виконувати. Для цього необхвдно створювати комплекси монь торингу радюнавпацшного поля ГНСС i аналiзу за-вадово! обстановки (система радiоконтролю) в зош роботи апаратури споживача шформацп ГНСС, мо-нiторинг радiонавiгацiйного поля ГНСС необхщно одночасно виконувати в де шлькох мiсцях вiд прий-мача ГНСС (рекомендована зона радiусом 5 - 10 км). В [37] надаш рекомендацi! по складу системи радюконтролю. Системи радiоконтролю повиннi
бути, по можливосп, автоматизованi [38] i3 засто-суванням ЕОМ, сучасно! архггектури клieнт/сервер i засобiв телекомунiкацi!. Система радюконтролю мае антени, приймач (i), пристрiй обробки/управ-лiння i техшчну базу даних з результатами вимiрiв, що включае вимiрювальний сервер. ВимОрюваль-ний сервер - це зазвичай компактний пристрiй з шиною високо! швидкостi, що мiстить процесори (мш ЕОМ), приймачi та iншi електронш пристро!. Для забезпечення необх1дно! чутливосп вимОрю-вань необхiдно використовувати належний попере-днiй пiдсилювач i забезпечити дозвш по ширинi смуги в 10 кГц або менше. Бажано проводити аналiз дiапазонiв частот GPS (1575 ± 20 МГц) i ГЛОНАСС (1598 ^ 1604,25 ± 20 МГц). Рекомендуеться використовувати приймач з цифровою обробкою сигналiв (DSP), а не аналiзатор спектру, оскшьки тiльки DSP-приймачi забезпечують задовшьну частоту ро-згортки [39,40].
В даний час використовуються дороп за цшою (де калька десятков тисяч доларiв) стацiонарнi комплекси радюконтролю в райош аеропорту або мор-ського порту (не всi адмшютраци портiв приймуть рiшення про створення таких комплексiв радюкон-тролю) i це е недолiком. Можна проводити радю-
контроль в точщ розташування апаратури спожи-вача ГНСС з математичним перерахунком в де яку точку простору, але недолж такого методу те що не мае сертифжованих методик математичного пере-рахунку значения напруженостi електричного поля в дов№ну точку простору яка б враховувала ва умови. Для усунення недолiкiв необх1дно створю-вати мобшьт (недорогi тактичнi) комплекси радю-контролю як1 можна застосовувати в зош роботи апаратури споживача шформацп ГНСС [41-43], тому розробка тактичних комплекав радюконт-ролю радiонавiгацiйного поля ГНСС е актуальною науковою задачею.
В Нацюнальному авiацiйному унiверситетi ро-зроблено радiоприймач для вимiрювання напруже-ностi електричного поля та методику оцшки досту-пносп радiонавiгацiйного поля [44-48]. В результата застосування методики отримуються графши (рис. 5, 6). Розраховуеться граничне значення поту-жностi завади в залежносп вiд вiдстанi до постано-вника завади (рис. 5). На пiдставi вимiрюваноl по-тужшстю електричного поля отримуеться оцшка
потужностi завади. Як що ощнка потужносп знахо-диться нижче граничного значення то робиться ви-сновок що приймач ГНСС знаходиться в областi припустимих завад та радiонавiгацiйне поле ГНСС доступне для виконання навц-ацшно! задачг
На рис. 6 розраховано i побудовано графiк за-лежностi щ№носп потужностi електричного поля ввд ввдсташ прi постiйнiй потужностi джерела завади та цшсносп даних ГНСС GPS [47,48], побудовано лшш розраховано! гранично! щ№носп потоку потужносп електричного поля завади на ан-тенi приймача ГНСС яка дорiвнюe 1,5148*10-8 мВт/см2 та лшш вимiряно! щiльностi потоку потужносп електричного поля яка дорiвнюe 3,5*10-11 мВт/см2. У точках перетину лшш з кривими щ№-ностi потоку потужносп опустимо перпендикуляри на вюь вiдстанi (рис. 6). Область праворуч вiд перпендикуляра на вюь вiдстанi i нижче криво! потужносп завади - область в якш приймач ГНСС буде виконувати навп'ацшну задачу з ймовiрнiстю не ri-рше задано!. Також з графiка можна визначити мо-
жливу вадстань до джерела завади
Граничная плотность потока мощности Е-поля= 1.5152е-0В мВт/см2 Измеренная плотность потока мощности Е-поля= 3.5е-11 мВт/см2 иелостность данных ГНСС= 1-1.5е-09
Не доп /стимая область мощно'сти помехи I I I Е
~—Граничное значение мощности помехи : Оценка значения мощности помехи п
Г / Е
г дииустимая оиласть мощности помехи
4а so 60
Расстояние (км)
Рис. 5. Межа областг потужностг припустимих i не припустимих завад для необхгдного вгдношення J/S
(лня синього кольору)
Гранична щ1льн1сть потоку потужност1 Е-поля= 1.5152&-08 мВт/см2 Викчряна uiLTLHicTL потоку потужносп Е-поля= 3.5е-11 мВт/см2 LlmictiicTb дани* ГНСС= 1-1.5е-0Э
10-и-.-.-.-.-■-.-■-.-.-
0 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100
Вщстаиь км
Рис. 6. Залежтсть щ1льност1 потужностг електричного поля eid вгдстанг npi посттнт потужностг
джерела завади та цiлiсностi даних ГНСС GPS
Ощнюючи можливий виграш у стшкосп апа-ратури споживачiв ГНСС (табл. 1 п/п 2 та 3) до завал, найб№ш перспективним методом е управ-лiння ДС приймально! антени (зменшення чутливо-стi або встановлення "0" ДС в напрямку джерела завад) [2,20,21,36,52-54], тобто просторова часова обробка сигналiв (ПЧОС), яка реалiзуеться в антен-них адаптивних компенсаторах завад (ААКЗ). Перевага ПЧОС в наступному:
- виграш в завадостшкосп може бути вельми ютотним;
- не потрiбне коригування самого приймача супутниково! навтаци.
Адаптивнi компенсатори завад будуються на основi антенних решит i адаптивних методах уп-равлшня ДС.
Основнi напрямки розробки ААКЗ це радюло-кацiйнi системи та системи радюзв'язку, т. к. в основному виршувалися завдання тдвищення зава-достiйкого прийому по боковим пелюсткам [53,54,6-62].
За останнi роки опублшовано велика к1льк1сть робiт, присвячених використанню адаптивних ме-тодiв компенсаци завад, що належать переважно до систем радюлокаци та систем радюзв'язку (перелж публiкацiй у [52-54]). У них найб№шу увагу при-дшено питаниям обробки (в першу чергу ПЧОС) радюлокацшно! шформаци на тлi корельованих завад, що передбачае не тшьки накопичення корис-них сигналiв, але i компенсацш сигналiв як1 зава-жають [52-54].
У вщкритш пресi з'являються роботи, присвя-ченi забезпеченню цiлiсностi та доступносп до ш-формаци ГНСС [2,3,15-17,49-62]. За структурою сигналiв ГНСС вiдрiзняються вiд радiолокацiйних систем i систем радюзв'язку [2,33,62]. Тому при ви-користанш адаптивних методiв компенсацп завад у
каналах ГНСС слщ враховувати ряд важливих осо-бливостей, як1 часто ускладнюють реалiзацiю ААКЗ. Так, на вiдмiну вiд радiолокацiйних i систем радiозв'язку у ГНСС заздалегвдь не ведома часто-тно-часова структура корисного сигналу, що ви-ключае можливiсть застосування ряду широко ви-користовуваних методiв адаптивно! компенсацй завад i3 застосуванням опорного сигналу [5254,60,61]. Безперервний характер часово! струк-тури сигналу ГНСС ютотно ускладнюе можливiсть видiлення компенсуючо! напруги перешкоди i ви-ключення впливу корисного сигналу на ланцюгу адаптацп. Це значною мiрою обмежуе можливостi використання у ГНСС багатоканальних пристро!в просторово-часово! обробки з адаптивною компен-сащею корельованих завад.
В основному ва розробки ААКЗ ГНСС прово-дяться з використанням рiшень, як1 застосовува-лися в радiолокацi! i радюзв'язку так зваш beamformer--антенi [52-54,62]. У beamformer-анте-нах в результат когерентного вагового тдсумову-вання корисного сигналу формуеться основний канал з вузькою дiаграмою, спрямовано! максимумом на джерело корисного сигналу. Крiм того, у (N+1)-канально! ААР формуеться N слабкоспрямованих (перекривають бiчнi пелюстки ДС основно! антени) адаптивно керованих компенсацiйних каналiв. На-пруга компенсацiйних каналiв з урахуванням ваго-вих коефiцiентiв додаеться до напруги основного каналу. При цьому здшснюеться когерентна компе-нсацiя перешкод, прийнятих по боковим пелюсткам основно! антени. Це рiвносильне формуванню результуючо! ДС з провалами на джерела перешкод (рис. 7). Компенсацшний канал в beamformer-ан-тени використовуе LMS або RLS адаптивний алгоритм за критерiем найменших квадратiв, що базу-ються на леми про звернення матриц та QR розкла-дiв [54].
Рис. 7. Принцип роботи пиИ^-антени i ЬеатАзгтег-антени [46]. АР адаптивно формують ДС i утво-рюють нуль у напрямку джерел перешкод. (а) nuШng-антена зменшуе коефщент посилення в напрямку сигналу перешкод, але без додаткового посилення сигналу супутникового зв'язку ГНСС. (б) ЬеатАзгтег-антена зменшуе коефiцiент посилення сигналу перешкод i збшьшуе коефiцiент посилення сигналу супутникового зв'язку ГНСС.
До недолшв beamformer-антени можна водне-сти повОльну збiжнiсть LMS або RLS адаптивних ал-горшшв [52,53], повОльний переходний процес, зна-чне звуження основного пелюстка ДС i можлива втрата сигналу вод де яких супутнишв, а також не-обхiднiсть апрюрних даних про направлення на за-ваду i прийнятому сигнал [52-54,60-62], тому beamformer-антени працюють в два етапи:
- оцшка напрямку (кута) на джерело завади, з використанням алгоритмов високого дозволу MUSIC або ESPRIT;
- за вимОрюваним кутом обчислення вагових коефщеппв i формування ДС.
На жаль, максимальний коефiцieнт приду-шення завади у таких системах не перевищуе 25 -30 дБ (табл. 1). Однак розробка beamformer-антен ведеться в наш час з-за ]х основно. переваги - простота реалiзацiï, можливють використання АР з великою апертурою, кроком мОж поодинокими елеме-нтами АР вод Х/2 до 3Х/4 (збОльшуеться коефiцieнт пiдсилення АР i тдвищуеться роздiльна здатнiсть по куту) i лшшними розмiрами одиничного елеме-нта АР вОд У2 та невисокою обчислювальною скла-днютю.
У теж час beamformer-антени не використову-ють можливосл розв'язання рОвняння Вшера-Хо-пфа (1) [53], та переваги адаптивно].' обробки сигналов, яке передбачае, що вся шформащя про джерела завад, а саме його кутове положения в просторО зна-ходиться в кореляцшнш матриц завади:
W = R _1S, (1)
де W - вектор вагових коефщеппв (розмОрш-стю N), R-1 - обернена кореляцшна матриця завади
(розмОршстю N*N), S - вектор комплексних ампль туд корисного сигналу (розмОршстю N).
Для обчислення вагового вектору за виразом (1) необхвдно провести операцш безпосереднього звернения кореляцiйно! матрицi. Однак на практищ кореляцiйна матриця невщома. Тому обчислюють максимально правдоподiбну оцшку кореляцшно! матрицi L часовими вибОрками випадкових ампль туд входного процесу. Якщо ваговий вектор оцшю-еться за формулою (1), виникають двО проблеми. По-перше при L<N (коротка вибОрка) кореляцiйна матриця е виродженою i, отже, не мае зворотно! матриц^ а при L>N е погано обумовлено! [60,61], де N - кшьшсть елементiв в АР, L - об'ем вибОрки.
На основО рiвияния (1) працюе nulling-аитенна, в яко! формуеться нуль в ДС на джерело завади (рис. 7).
Використовуючи вираз 1 надаеться можли-вють в отриманш простий реалОзацп обчисления ва-гового вектору, необхОдно тшьки обчислити оцшку обернено! кореляцшно! матрицО завади R-1 тобто використовувати прямий метод обчисления обернено! кореляцОйно! матрицО завади R-1 i знахо-джения оцшки вагового вектору W [60].
ПрямО методи обчислення обернено! кореляцОйно! матрицО завади R-1 дають ряд важливих пе-реваг:
• малий час для отримаиия оцшки вагового вектору;
• високий коефщОент придушения завади;
• вОдпадае необхОдшсть у апрОорних даиих про параметри завади i сигналу, що на практищ е важливим.
В табл. 2 наведено порОвияния за основними параметрами beamformer i nulling антен.
Таблиця 2
Порiвняння за основними параметрами beamformer i nulling антен в ААКЗ_
Параметри ААКЗ beamformer-антена nulling-антена
коефщент придушення завади до 35 дБ до 90 дБ
апрюрш данш про просторове розташування джерела корис-ного сигналу + -
апрюрш данш про просторове розташування джерела завади + -
апрюрна шформащя про корисний сигнал + -
аналогова реалiзацiя + -
цифрова реалiзацiя + +
крок АР ввд У4 до 1 вод 1/4 до 1/2
тип АР:
лшшна + +
пласка + +
перехвдний процес + -
рiвень бiчних пелюсток -40 - -20 дБ -100 - - 80 дБ
звуження основного пелюстка + -
тдвищення коефщента пiдсилення в напряму корисного сигналу + -
Проведений аналiз дав тдстави видiлити най-бiльш дieвi методи забезпечення цшсносп i досту-пносп iнформацii ГНСС при ди органiзованих за-вад серед котрих е застосування ААКЗ з викорис-танням beamformer i nulling антен (рис. 4, табл. 1).
Серед beamformer i nulling антен найкращим е ААКЗ з nulling-антеною (табл. 2). Тому актуальним на даний час е дослвдження розробка i впрова-дження ААКЗ на базi nulling-антен.
В результата науково-дослвдних робот в Нацю-нальному авiацiйному унiверситетi розробленi методи керування ДС в ААКЗ на базi nulling-антен. Результати застосування цих методiв наведенi в роботах [63-74], а також створено ААКЗ [2].
Висновки. В робот проведено огляд публша-цш в яких розглядаеться проблема уразливостi ГНСС до навмисним перешкод, розглядаються по-слвдства впливу перешкод на ГНСС. Представлен iнформацiйнi потоки в ГНСС для знаходження вра-зливих функцiональних вузлОв. На основО шформа-цшних потошв показано, що найбшьш уразливим пристроем в плаш захисту iнформацii е приймач ГНСС. На основО розробок ушверситету пропону-ються як оргашзацшш так i техшчш заходи щодо забезпечення доступносл радюнавтацшного поля, так i забезпечення цшсносп iнформацii ГНСС. За-пропоноваш ршення можна використовувати на об'ектах критично)! шфраструктури, а також корис-тувачам навпацшно! шформацп.
Лiтература
1. Суходоля, О. (2016). Зелена книга з питань захисту критично! шфраструктури в Украшг Упо-ряд. Д. БОрюков & С. Кондратов. за заг. ред. О. Су-ходолО К.:Н1СД. Режим доступу: http://www.niss.gov.ua/public/File/2016_book/ Syxodolya_ost.pdf.
2. Конин, В. & Харченко, В. (2010). Системы спутниковой радионавигации. Киев: ХОЛТЕХ.
3. Ward, P. (1994). GPS Receiver RF Interference Monitoring, Mitigation, and Analysis Techniques,
Navigation, 41(4), pp. 367-392. doi: 10.1002/j.2161-4296.1994.tb01886.x.
4. Parkinson, B. W. and Spilker, J. J. (1996). Progress In Astronautics and Aeronautics: Global Positioning System: Theory and Applications. American Institute of Aeronautics & Astronautics. Available at: http://books.google.com.ua/books?id=t0eGFpSwN0w C (Accessed: 3 February 2014).
5. Landry, R. and Renard, A. (1997). Analysis of potential interference sources and assessment of present solutions for GPS/GNSS receivers, 4th Saint-Petersburg on INS, pp. 1-13. Available at: http://scholar.google.com/scholar?hl
=en&btnG= Search&q=inti-tle:ANALYSIS+OF+POTENTIAL+INTERFERENC E+SOURCES+AND+AS SES SMENT+OF+PRESEN T+SOLUTIONS+FOR+GPS+/+GNSS+RECEIVERS #0 (Accessed 3 February 2014).
6. Littlepage, R. (1998). The Impact of Interference on Civil GPS. Proceedings ION GPS-98. pp. 821828.
7. Corrigan, T. M. et al. (1999). GPS Risk Assessment Study. Final report. Washington. Available at: http://www.rvs.uni-bielefeld.de/publications/ Inci-dents/DOCS/Research/Other/Article/gps-risk-ass.pdf (Accessed 3 February 2014).
8. Vulnerability Assessment of the Transportation Infrastructure Relying on the Global Positioning System (2001). Final Report. Washington. Available at: https://www.navcen.uscg.gov/pdf/vulnerability_as-sess_2001.pdf (Accessed 3 February 2014).
9. M. Powe, J. I. R. O. (1999). European Organisation for the Safety of Eurocontrol Experimental Centre GNSS Frequency Protection Requirements. Available at: https://www.eurocontrol.int/gnss-frequency-protection-requirements (Accessed 3 February 2014).
10. Corbell, P. M. (2000). Design and validation of an accurate gps signal and receiver truth model for comparing advanced receiver processing techniques, AIR FORCE INSTITUTE OF TECHNOLOGY. Available at:
http://www.dtic.mil/dtic/tr/iulltext/u2/a380760.pdf (Accessed 3 February 2014).
11. RTCA Inc. (2008). Assessment of Radio Frequency Interference Relevant to the GNSS L1 Frequency Band. Washington. Available at: http://books.google.com.ua/books/about/Assess-ment_of_Radio_Frequency_Inter-feInt.html?id=w6NWewAACAAJ&redir_esc=y (Accessed 5 February 2014).
12. Wildemeersch, M. and Fortuny-Guasch, J. (2010). Radio Frequency Interference Impact Assessment on Global Navigation Satellite Systems. Ispra (VA), Italy. doi: 10.2788/6033.
13. Wildemeersch, M. et al. (2010). Impact Study of Unintentional Interference on GNSS Receivers, Tech. Rep. EUR-24742-EN, Publications Office of the European Union. Luxembourg. doi: 10.2788/57794.
14. Bauernfeind, R. et al. (2012) Analysis, detection and mitigation of incar gnss jammer interference in intelligent transport systems, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, pp. 1-10. Available at: http://www.dglr.de/publikationen/ 2013/281260.pdf (Accessed: 17 July 2014).
15. Rugamer, A., Iis, F. and Kowalewski, D. (2015). Jamming and Spoofing of GNSS Signals-An Underestimated Risk?! Motivation Applications of GNSS Motivation Applications of GNSS Content Jamming and Spoofing of GNSS Signals-An Underestimated Risk?! Available at: https://www.fig.net/re-sources/proceedings/ fig_proceed-ings/fig2015/ppt/TS05G/TS05G_ruegamer_kowalews ki_7486_ppt.pdf (Accessed: 19 July 2014).
16. Rugamer, A. and Kowalewski, D. (2015). Jamming and Spoofing of GNSS Signals-An Underestimated Risk?!, in From the Wisdom of the Ages to the Challenges of the Modern World. Sofia, Bulgaria,: International Federation of Surveyors, pp. 1-24. Available at: https://www.fig.net/resources/proceed-ings/fig_proceedings/ fig2015/pa-pers/ts05g/TS05G_ruegamer_kowalewski_7486.pdf (Accessed: 19 July 2014).
17. Curran, J. et al. (2017). A look at Threat of Systematic Jamming of GNSS, InsideGNSS, 5, pp. 4653. Available at: http://insidegnss.com/auto/sepoct17-CURRAN.pdf (Accessed: 19 July 2014).
18. Boynton, F. (2014). GNSS INTERFERENCE / DENIALS, NEEDS AND CHALLENGES. Available at: https://gpsworld.com/wp-content/uploads/2014/05/ Loctronix-2014-GNSS-Webinar-140521-final.pdf.
19. Landry, R. and Renard, A. (1997). Analysis of potential interference sources and assessment of present solutions for GPS/GNSS receivers, 4th Saint-Petersburg on INS, pp. 1-13. Available at: http://scholar.google.com/ scholar?hl=en&btnG=Search&q=inti-tle:ANALYSI S+OF+POTENTIAL+INTERFERENC E+SOURCES+AND+ASSESSMENT+OF+PRESEN T+SOLUTIONS+FOR+GP S+/+GNSS+RECEIVERS #0.
20. Dovis, F. (2015). GNSS Interference Threats and Countermeasures. Edited by F. Dovis. Boston|London: ARTECH HOUSE, INC.
21. Sklar, J. R. (2003). Interference Mitigation Approaches for the Global Positioning System, LINCOLN LABORATORY JOURNAL, 14(2), pp. 167-180. Available at: http://citese-erx. ist.psu. edu/viewdoc/down-load?doi=10.1.1.70.4732& rep=rep1&type=pdf (Accessed: 25 July 2018).
22. Сушич О. (2012). Експериментальна оцшка впливу навмисних завад на апаратуру споживача глобально! наигацшно! супутниково! системи, Вюник шженерно! академп Укра!ни, № 3-4, с. 32 -36.
23. Швець В. (2012). Експериментальш до-слщження завадостшкосп систем GPS, Вюник ш-женерно! академп Укра!ни, № 3-4, с. 160 - 164.
24. Швець В. (2013). Аналiз загроз для транспортних систем, орieнтованих на використання гло-бальних навтацшних супутникових систем. Вюник шженерно! академп Укра!ни. № 3-4. с.82 - 86.
25. Global Navigation Satellite Systems Panel (GNSSP), Appendix A. Working papers of the Third meeting, (1999). Montreal: ICAO.
26. Циркуляр 267-AN/159 Рекомендации по внедрению и эксплуатационному использованию глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS) (1996). М.: ИКАО.
27. International Civil Aviation Organization. (2014). Aeronautical Telecommunications Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation, Volume I (Radio Navigation Aids), 6 ed.
28. IMO Resolution A915. Revised maritime policy and requirements for a future global navigation satellite system (GNSS) (2002). IMO. Available at: http ://transport. mid. gov.kz/ru/kategorii/dokumenty-mezhdunarodnoy-morskoy-organizacii-imo?page=1&theme_version=mirm (Accessed: 19 July 2014).
29. Butterline, Ed, Frodge, Sally L., (1999). GPS: Synchronizing Our Telecommunications Networks, In: Proceedings of the 12th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation. Nashville, TN, September 1999, pp. 597-606.
30. RTCA, 2002. DO-242A Minimum aviation system performance standards for automatic dependent surveillance broadcast (ADS-B). Washington: RTCA, Inc.
31. SPIRENT (2015). Fundamentals of GPS Threats: White paper, EGNSSA, GNSS Market Report. Available at: https://www.spirent.com/Assets/WP/WP-Fundamentals-of-GPS-Threats.
32. Gao, G. X. et al. (2016) 'Protecting GNSS Receivers from Jamming and Interference', in Proceedings of the IEEE, pp. 1327-1338. doi: 10.1109/JPROC.2016.2525938.
33. Дятлов, А., Дятлов, П., & Кульбикаян, Б. (2004). Радиоэлектронная борьба со спутниковыми радионавигационными системами. М.: Радио и связь.
34. Psiaki, M. L. and Humphreys, T. E. (2016). GNSS Spoofing and Detection, Proceedings of the IEEE, 104(6), pp. 1258-1270. doi: 10.1109/JPROC.2016.2526658.
35. Huang, J. et al. (2016). GNSS spoofing detection: Theoretical analysis and performance of the Ratio Test metric in open sky, ICT Express. Elsevier, 2(1), pp. 37-40. doi: 10.1016/J.ICTE.2016.02.006.
36. Коротоношко, А., Перунов, Ю., (2006). Устойчивость и радиотехническая защищенность транспортных систем, использующих точную спутниковую навигацию, Новости навигации, 3, с., 26 -32.
37. Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне (2005). Женева: ITU. Available at: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/hdb/R-HDB-21-2005-PDF-R.pdf.
38. МСЭ-R (2014) Автоматизация и интеграция систем радиоконтроля в автоматизированное управление использованием спектра. Женева. Available at: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.1537-1-201308-I!!PDF-R.pdf.
39. Manual on Testing of Radio Navigation Aids (2000). Montreal: ICAO. Available at: http://www.caa.lv/file/935/280.
40. Manual on Testing of Radio Navigation Aids (2007) Aviation. Montreal: ICAO. Available at: http://www.caa.lv/file/936/280.
41. Harris Corporation - Detect and Locate GPS Jamming with Signal Sentry™ 1000 - YouTube (no date). Available at: https://www.youtube.com/watch? v=XMpBxrNaV84 (Accessed: 27 August 2018).
42. GPS Jammer Detector and Locator | GNSS interference detection (no date). Available at: http://www.gps-world.biz/products/gnss-interference-detection/ products-solutions/ctl-3520#datasheets (Accessed: 27 August 2018).
43. Curry, C. (2011). Sentinel Project Report on GNSS Vulnerabilities. Lydbrook. Available at: http://www.chronos.co.uk/files/pdfs/gps/SENTINEL_ Proj ect_Report.pdf.
44. Швець В. (2015). Шдходи щодо до-слвдження електромагштно! сумюносп глобальних навтацшних супутникових систем в зон аеро-порту. Вюник iнженерноï академп Украши, №4. с. 61 - 64. http ://er. nau. edu.ua:8080/handle/NAU/17700
45. Швець В. (2016). Способи оцшки енерге-тики електричного поля групи випромiнювачiв в зонi аеропорту яш створюють завади глобальним навiгацiйним супутниковим системам. Вiсник ш-женерноï академи Украши, №1. с. 45 - 48. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/20735
46. Швець В. (2016). Спрощена концепщя ма-тематичного моделювання електромагнiтноï обстановки системам GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО. Вiсник iнженерноï академiï Украши, №2. с. 23 - 26. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/22285
47. Shvets V. (2018). Method of evaluation of the electric field level of dangerous signals to GNSS receivers. Proceedings of the National Aviation University, №2 (75). pp. 7-12. http://er.nau.edu.ua:8080/han-dle/NAU/37401
48. Shvets V., Kondratiuk V., Ilnytska S., Kutsenko O. (2018). Radionavigation field monitoring in the landing area using software-defined radio receiver. Aviation in the XXI-st century 2018: World
Congress. Kyiv: NAU. p 5.1.21 - 5.1.26. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/36846
49. Borio, D. et al. (2016) 'Impact and Detection of GNSS Jammers on Consumer Grade Satellite Navigation Receivers', Proceedings of the IEEE, 104(6), pp. 1233-1245. doi: 10.1109/JPROC.2016.2543266.
50. Thyagarajan, V. and Kaja Mohideen, S. (2014) 'GPS jamming: Strengthening anti jam GPS system with adaptive phase only nulling using cuckoo search', Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 8(5), pp. 679-686. doi: 10.19026/rjaset.8.1022.
51. Senthilkumar, K. S. et al. (2016) 'Single Per-ceptron Model for Smart Beamforming in Array Antennas', International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), 6(5), pp. 2300-2309. doi: 10.11591/ijece.v6i5.10719.
52. Монзинго, Р., Миллер, Т. (1986). Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. Пер. с англ. В. Челпанова, В. Лоскаченко. М.: Радио и связь.
53. Уидроу, Б., Стринз, С. (1989). Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. Ю. Скальникова. Под ред. В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь.
54. Джиган, В. (2013). Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М.: Техносфера.
55. Williams, D. et al. (2000) 'Four-Element Adaptive Array Evaluation for United States Navy Airborne Applications', in ION GPS 2000, 19-22 September 2000. Salt Lyke City, pp. 2523-2532. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/aee5/ aa45796a951171df421fed32d776b8dd1261.pdf.
56. Ward, K. D. (2006) Development of Smart Antenna Technology Final Report, Smart Antenna Technology. Kidlington. Available at: https://www.ofcom.org.uk/__data/as-sets/pdf_file/0014/36014/smartpres1 .pdf.
57. Prabhu, M. R. and Sasikala, U. T. (2014) 'Gps- 4 Arrays Smart Antenna for Anti-Jamming', International Journal of Engineering Science Invention, 3(4), pp. 29-41. Available at: http://www.ijesi.org/pa-pers/Vol(3)4/Version-4/D0344029041 .pdf.
58. Fernandez-Prades, C., Arribas, J. and Closas, P. (2016) 'Robust GNSS Receivers by Array Signal Processing: Theory and Implementation', Proceedings of the IEEE, 104(6), pp. 1207-1220. doi: 10.1109/JPR0C.2016.2532963.
59. ВНИИР-Прогресс (2017). Малогабаритные адаптивные антенные решетки четырех элементные серии «Комета» — «ВНИИР-Прогресс», ВНИИР-Прогресс. Available at: http://www.vmir-progress.ru/production/malogabaritnye-adaptivnye-an-tennye-reshetki-chetyrexelementnye-serii-kometa/ (Accessed: 31 July 2018).
60. Ратынский, М., (2003). Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь.
61. Лосев, Ю., Бердников, Э., Гойхман, Э., Сизов, Б. (1988). Адаптивная компенсация помех в каналах связи. М.: Радио и связь.
62. Перов, А. and Харисов, В. (2010) ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М.: Радио и связь.
63. Швець В. (2013). Формування вагових коефщенпв прямими методами в антенних решптах систем GPS. Вюник шженерно! академп Украни №1. с. 92 - 94.
64. Швець В. (2013). Застосування трикутно! схеми розташування випромОнювачОв в вимОрювальних антенних решитах супутникових аеронавпацшних систем. ВимОрювальна та об-числювальна техшка в технолопчних процесах. №1. с. 255 - 261
65. Щвець В. А. (2013). Ошгашзащя антенних решггок глобальних навпацшних супутникових систем, XI МОжнародна науково-техшчна конферен-ци "АВ1А-2013". К.:НАУ Том 2. с. 7.1-7.4. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/11180
66. Швець В. (2013). Розрахунок антенно! решики супутникових аеронавпацшних систем. Радютехшка. Вип. 173. Харк1в: ХНУРЕ. с. 38-41.
67. Швець В. (2013). Синтез пласко! антенно! решики супутникових еронавпацшних систем GPS, ГАЛ1ЛЕО, ГЛОНАСС. Вюник Онженерно! академп Украши. № 3-4. с.87 - 89.
68. Швець В. (2014). Структурна схема зава-достшко! антенно! решгтки навпацшних систем GPS, ГАЛ1ЛЕО, ГЛОНАСС . Вюник Онженерно! академп Украши. № 1. с.149 - 151. http ://er. nau. edu.ua:8080/handle/NAU/32873
69. Швец В. (2014). Необходимость защиты информации глобальных навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС. Безпека шформацп. №2, Том 20. с. 185 - 192. http ://er. nau. edu.ua:8080/handle/NAU/3 5355
70. Щвец В. (2015). Моделирование радио приемного тракта адаптивных антенных решеток в системах позиционирования GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО, XII МОжнародна науково-техшчна кон-ференци "АВ1А-2015". К.:НАУ, с. 8.50 - 8.53. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/32881
71. Щвец В. (2017). Импульсная характеристика пространственного фильтра как аналог корреляционной матрицы помехи в адаптивной антенной решетке навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. XIII Мжнародна науково-техшчна конференщя "АВ1А-2017". К.:НАУ. с. 12.53 - 12.55. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/29804
72. Shvets V., Kharchenko V. (2017). Pulse characteristics of network satellite systems adaptive antenna for assessing correlation interference matrix Proceedings of the National Aviation University, №4 (73). pp. 30 - 35. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/32567
73. Shvets V., Kharchenko V. (2017). Pulse characteristics of network satellite systems adaptive antenna for assessing correlation interference matrix Proceedings of the National Aviation University, №4 (73), pp. 30 - 35. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/32567
74. Shvets V. Kharchenko V. (2018). Antenna array as a constructive element of increasing cybersecu-rity of network satellite system receivers. Proceedings of the National Aviation University, №1 (74), pp. 30 -37. http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/34029
