Инерциальные модули ГКВ: борьба со спуфингом и новые возможности

 

Александр Бекмачев, ООО ИНЕЛСО,

Андрей Михеев, ООО ЛМП

Статья размещена в журнале Электронные Компоненты №7

Статья посвящена аппаратуре производства компании «Лаборатория Микроприборов» и применяемым программным способам улучшения качества навигации при искажении и подавлении сигналов ГНСС.

 

Смелые технологические фантазии сценаристов киносаги об агенте 007 стали обыденностью по прошествии 30–40 лет: частный завод по производству космических кораблей-«челноков», беспилотные автомобили, биохакинг (управляющие микросхемы-импланты в телах животных и людей). Всё это уже общемировое достояние и способствует прогрессу человечества в целом. Но спуфинг! Он больше не фантастическое оружие киношного злодея-медиамагната. Спуфинг стал ощутимой «головной болью» не только в оборонных задачах, но и в повседневной хозяйственной деятельности: телематические сервисы, навигация в «городских джунглях», маневрирование вблизи и на территории морских и речных портов, аэронавигация. Помехи приему сигналов глобальных систем спутниковой навигации (ГНСС) чреваты не только экономическим уроном, но и представляют опасность для жизни и здоровья людей. Поэтому стали остро востребованы технические решения, которые спасают жизни людей в воздухе, на дороге и на воде.

Строго говоря, в настоящее время существуют два «рукотворных» способа наведения помех на приемники ГНСС: джамминг и спуфинг, а также комплекс техногенных и природных причин ослабления и искажения сигналов навигации, которые транслируются с геостационарных спутников Земли, например, ионосферная сцинтилляция.

Джамминг (jamming – англ.) – подавление, как правило, широкополосным шумоподобным сигналом. Он может оказаться и непреднамеренным – следствием паразитных излучений находящихся поблизости приемно-передающих устройств. Однако чаще всего это именно средство грубого и преднамеренного нарушения приема сигнала ГНСС. Сравнительная дешевизна и «прямолинейность» джамминга являются ограничивающими факторами его применения. Рутинный мониторинг радиоэфира позволяет своевременно и с большой достоверностью установить факт и источник «недружественной» трансляции.

Гораздо более изящным, интеллектуальным и точным инструментом РЭБ является спуфинг (spoofing – англ.) – подмена сигнала ГНСС. Суть спуфинга состоит в передаче сложной имитационной помехи на приемник ГНСС. Противодействие спуфингу требует адаптивного и комплексного решения, включающего в себя специализированные аппаратную и программно-аналитическую составляющие.

За прошедшие несколько лет борьба «замка» и «отмычки» прошла уже несколько циклов: опробованы разные конструкции приемных антенн, для совершенствования ПО привлечены силы искусственного интеллекта. Но явного и окончательного перевеса сил одной из сторон не наблюдается. Тем не менее очевидно, что до изобретения и начала практического применения навигации на новых физических принципах, наиболее действенным остается совершенствование методов и компонентов автономной – инерциальной навигации на период действия достоверно идентифицированной имитационной помехи. Вариант зарубежного технического решения для БПЛА по преодолению зоны с ненадежными или искаженными сигналами спутниковой навигации показан на рис. 1.

Рис. 1 Аппаратная часть блока навигации БПЛА без сигналов ГНСС от компании Inertial Labs Изображение получено из открытых источников сети LinkedIn

 

Полетный контроллер массовой модели дополнен внешним счетно-решающим устройством, получающим данные от приемника воздушного давления, высокоточного магнитного компаса и антенны с управляемой диаграммой направленности.

Очевидно, работы в том же направлении ведутся и отечественными специалистами. Обратим свое внимание на одного из ветеранов отрасли: производителя блоков инерциальных датчиков и поставщика навигационных решений – компанию «Лаборатория Микроприборов» (ООО ЛМП), г. Зеленоград.

Основные области применения инерциальных модулей серий ГКВ-10 и ГКВ-5:

• навигация беспилотного наземного и водного транспорта;
• навигация БПЛА;
• блок 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 г. финалисты таких конкурсов как «Зимний город» и «Пятый уровень» полагаются в своих решениях на модули и ПО компании (рис. 2).

Рис. 2 . Базовая линейка модулей семейства ГКВ: а) ГКВ-10, ГКВ-11, ГКВ-12; б) ГКВ-5, ГКВ-6, ГКВ-7

 

Основа этих побед – разработанный в ЛМП алгоритм длительной автономной навигации по модели автомобиля и интеграция дополнительных измерений от внешних корректоров: лидаров, радаров, одометров.

Преимуществами упомянутой модели автомобиля являются постоянная коррекция углов крена и тангажа, а также продолжительное 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.

 

Таблица 1. Параметры точности автономной навигации в плоскости с модулями серии ГКВ

Временной интервал	Ошибка навигации без использования модели автомобиля, м, 1ско (1σ)	Ошибка навигации с использованием модели автомобиля, м, 1ско	Ошибка навигации с использованием модели автомобиля и одометра (CAN), м, 1ско
30 с	3	1,3	1
1 минута	17	2	1,5
5 минут	500	15	8

 

 

Таблица 2. Параметры ориентации – крен/тангаж с модулями ГКВ в наземном транспорте

Временной интервал	Ошибка крена/тангажа с использованием модели автомобиля, °, 1ско	Ошибка крена/тангажа с использованием модели автомобиля, °, 1ско	Ошибка крена/тангажа с использованием модели автомобиля и одометра (CAN), °, 1ско
30 с	0,09	0,075	0,07
1 минута	0,11	0,08	0,08
5 минут	0,24	0,14	0,14
20 минут	0,47	0,18	0,18

 

Таблица 3. Параметры ориентации – курс с модулями ГКВ в наземном транспорте

Временной интервал	Ошибка угла курса, °, 1ско
30 с	0,19
1 минута	0,26
5 минут	0,92
20 минут	2,4

 

 

Из табл. 3 видно, 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 клиентам в «беспилотизации» компания выпустила руководство «Сценарий использования датчиков серии ГКВ на автомобиле», которое можно загрузить с сайта [1].

Производитель предоставляет потребителю возможность дополнить фильтр базового алгоритма своими (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 применять такие улучшающие навигацию параметры как момент применения измерений, тип и время измерений, статус ответа и оценка точности измерений.

Упомянем новый программный модуль встроенного ПО, предназначенный для противодействия спуфингу. Модуль выполняет процедуру идентификации и пропуска ложных измерений, которая идентифицирует и отрабатывает не только события собственно спуфинга, но и недостоверные блоки данных других источников навигационной информации. 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 доработанного ПО приведен на рис. 3.

Рис. 3 Пример работы доработанного ПО

Данные измерений, признанные недостоверными, не учитываются при построении трека в условиях городской застройки.

Для задач воздушной навигации предпочтительным является компактный модуль облегченной конструкции ГКВ-5 и его исполнения 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, или CRPA.

Для навигации БПЛА при недостоверном или отсутствующем сигнале ГНСС хорошим подспорьем может стать заранее подготовленный фотоплан местности, карта магнитных аномалий или наземные ориентиры. Как показала практика применения модулей ГКВ, альтернативным внешним источником курсовой информации также служит уровень мощности принимаемого SOTM-антенной сигнала геостационарного спутника.

Однако такие «комфортные» условия не всегда реализуемы по организационным и техническим причинам. Поэтому разработчик модуля ГКВ в максимальной степени реализует потенциал имеющихся в составе изделия дополнительных датчиков: магнитометра и барометра-высотомера.

В связи с тем, что на земле калибровка магнитометра осложнена внешними магнитными излучениями, эта процедура осуществляется на начальном этапе полета с помощью специального программного фильтра и особой тактики пилотирования, обеспечивающей надежное определение курса. В дальнейшем, после отключения измерений координат и скоростей по ГНСС, встроенное микропрограммное обеспечение выполняет коррекцию навигационного решения с учетом ранее накопленных данных. Решение об отказе от использования данных ГНСС принимается автоматически или после команды оператора на основе упомянутого показателя NIS, выставляющего флаг спуфинга. С этого момента приоритетный расчет навигации выполняется на данных инерциальных датчиков и дополнительных источников до того момента, пока исполняемый программный модуль не найдет сигнал ГНСС, которому можно доверять.

В настоящий момент с участием заинтересованных потребителей ведутся работы по увеличению времени автономной работы алгоритма навигации без помощи ГНСС. Кроме описанной процедуры калибровки магнитометра в полете, при натурных испытаниях отрабатываются программные настройки интеграции с датчиком баровысоты, автоматическое вычисление скорости ветра на этапе полета в зоне приема достоверных сигналов ГНСС и автоматическая подстройка датчика воздушного потока (ДВП).

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, отечественный производитель уделят внимание и импортозамещению. Анонсированы новые компактные инерциальные модули, которые являются преемниками программно-аппаратных решений прежних серий ГВК. При этом новинки обеспечивают замещение по посадочным местам и цоколевке широко применяемых в стране зарубежных изделий. Один из планируемых к выпуску модулей совместим с Xsens серии MTi-1, а другой служит заменой семейства Epson G330/G365/G366/G370 (рис. 4).

Рис. 4 Новинки: а) инерциальный SMT-модуль ГКВ – аналог Xsens MTi-1; б) инерциальный встраиваемый модуль ГКВ – аналог Epson G330/G365/G366/G370

Размещение статей и коммерческой информации: anton.denisov@ecomp.ru

Литература

1. Сценарий использования датчиков серии ГКВ на автомобиле // https://mp-lab.ru/сценарий-использования-датчиков-сер.