グローバル ナビゲーション システムに CRPA GNSS ジャミング防止およびスプーフィング防止アンテナが必要な理由

現代のナビゲーションは、重要性は強力ですが、物理的な強度は非常に弱い信号に依存しています。測量回廊を追跡するドローン、沿岸ルートを維持する船舶、工業用地内を移動する自動運転車、地理参照データを記録する地図作成プラットフォームはすべて、位置、速度、時間を決定するために全地球航法衛星システム (GNSS) 信号に依存している可能性があります。しかし、衛星信号が地表に到達するまでには、通常は約 -125 ～ -130 dBm となり、通常の環境 RF 電力レベルをはるかに下回ります。実際には、GNSS は、機械、送電線、無線機器、都市インフラのそばに立って、宇宙からのささやきを聞こうとするようなものです。

この脆弱性は、民間および商用システムに深刻な課題を引き起こします。 GNSS 受信機は、偶発的な電磁ノイズ、違法な信号ブロッカー、近くの無線送信機、高密度の金属構造、マルチパス反射、および意図的に生成された誤った信号の影響を受ける可能性があります。多くのアプリケーションでは、GNSS の短時間の停止は単なる不便ではありません。これにより、自動化された飛行経路が中断され、マッピングの品質が低下し、自律型機械が停止し、船舶がバックアップ航行手順に頼らざるを得なくなったり、接続されたシステムが使用するタイミングソースが侵害されたりする可能性があります。

CRPA GNSS アンチジャミングおよびアンチスプーフィング アンテナは、これらの実際の動作条件において衛星ナビゲーションの回復力を高めるように設計されています。 CRPA はの略です 、制御受信パターン アンテナ。 CRPA は、アンテナ周囲のすべての信号を同じ方法で受信するのではなく、複数のアンテナ素子とアレイ処理を使用して、問題のある方向から到来する不要なエネルギーの影響を軽減しながら、本物の衛星信号を優先します。高度な構成では、このテクノロジーは、実際の衛星を模倣した欺瞞的な GNSS 信号を特定し、軽減するのにも役立ちます。

この記事では、GNSS 干渉が民間システムにどのような影響を与えるか、ジャミング対策およびスプーフィング対策アンテナの機能、多要素 CRPA テクノロジーが重要な理由、およびプラットフォームにこの追加のナビゲーション保護層が必要かどうかを判断する方法について説明します。

GNSS は不可欠ですが、その信号は壊れやすいです

GNSS は 1 つのシステムではありません。これは、BeiDou (BDS)、GPS、Galileo、および受信機の構成に応じて他の衛星サービスを含む世界的な衛星群のファミリーです。有能な受信機は、複数の衛星からの測定値を組み合わせて、位置、速度、タイミングを推定します。この出力は、PVT (位置、速度、時間) と呼ばれることがよくあります。

多くのプラットフォームでは、PVT はオプション機能ではなく入力です。フライトコントローラーはルートを保持するために位置フィードバックを必要とします。収集された画像を有用なものにするために、マッピング ペイロードには一貫した位置情報が必要です。ロボット車両は、ルートを繰り返し、機器の周囲で安全に作業するために、正確な座標フレームを必要とします。船舶は、主要なナビゲーション基準の 1 つとして GNSS を使用する場合があります。タイミング システムは、ネットワーク、センサー、または産業プロセスの同期を維持するために、衛星から取得された時刻に依存する場合があります。

問題は、衛星と受信機の間の距離が非常に長いため、衛星の送信電力が制限されることです。 GNSS 信号はアンテナに到達するまでに約 20,000 キロメートル移動します。その結果、受信信号は一般に -125 ～ -130 dBm レベル付近と表現されますが、これは非常に弱いものになります。近くにある不要な送信機は、その信号と競合するために特に大きい必要はありません。干渉源が受信機に近づくほど、そのエネルギーが GNSS フロントエンドを支配する可能性が高くなります。

そのため、ナビゲーションのパフォーマンスは、受信機のチップセットの品質や可視衛星の数だけで判断されるべきではありません。アンテナとその RF 環境も同様に重要です。アンテナが使用可能な信号環境を維持できない場合、高度な受信機であっても信頼性の高いナビゲーション データを生成できない可能性があります。

2 つの問題: ジャミングとスプーフィング

あらゆる GNSS 問題を説明するのに「干渉」という言葉がよく使われますが、ジャミングとスプーフィングは根本的に異なります。必要な保護レベルは異なり、運用リスクも異なります。

ジャミング: 有用な信号が埋もれている場合

妨害は、不要な RF エネルギーが衛星信号をマスクしたり圧倒したりするときに発生します。ソースは、広帯域、狭帯域、掃引周波数、またはパルス型送信の場合があります。これは、産業機器からの放射などの偶発的なものである場合もあれば、違法な個人用 GNSS ブロッカーなどの意図的なものである場合もあります。

実際の症状は通常明らかです。受信機が衛星を失う、報告される精度が低下する、ナビゲーション ソリューションが使用できなくなる、またはプラットフォームがフェールセーフ モードに入るなどです。受信機は信号状態が悪化していることを認識しているため、妨害は明らかであることがよくあります。

干渉と有効信号の関係は、多くの場合、妨害信号対信号比 (J/S) で表されます。簡略化された形式では、J/S は不要な RF エネルギーの強度と必要な GNSS 信号の強度を比較します。 J/S 比が高くなるほど、受信機が有効な衛星追跡を維持することが難しくなります。

自由空間条件では、距離が増加するにつれて RF エネルギーが弱まります。有用な工学的ルールは、距離が 2 倍になると、追加の経路損失が約 6 dB 発生するということです。これは、受信電力が約 4 分の 1 に低下することを意味します。このため、距離やアンテナの拒絶反応がわずかに変化しただけでも、干渉源の運用上の影響に大きな影響を与える可能性があります。

従来の GNSS アンテナは一般に、広範囲の方向からエネルギーを受信します。信号が目的の衛星送信なのか、それとも近くの望ましくないエミッターなのかはわかりません。 CRPA アンチジャミング アンテナは、フロントエンドに空間インテリジェンスを追加し、有用な衛星受信を維持しながら、システムが干渉方向への受信感度を低減できるようにします。

スプーフィング: 受信者に虚偽の情報が与えられる場合

スプーフィングはジャミングよりも巧妙です。スプーフィング送信機は、単に GNSS 信号をかき消すのではなく、受信機にとって正当に見える信号を作成します。偽の信号は、衛星の構造とタイミングを非常に厳密に模倣することができるため、受信機はそれらが本物であるかのように追跡できます。

スプーフィングの送信元は、本物の衛星信号のレベルを照合することから始まり、その後、時間、位置、またはナビゲーション データをゆっくりと変更します。計算された位置が現実から離れ始めても、プラットフォームは強力な GNSS 状態を示し続ける可能性があります。これが最も重要な違いです。ジャミングの場合、システムは多くの場合、問題があることを認識します。スプーフィングを使用すると、システムが誤解されている間は正常に見える可能性があります。

長いルートを飛行する民間 UAV の場合、位置が間違っていると、飛行経路が意図した回廊と一致しなくなる可能性があります。海洋調査ミッションの場合、偽装された座標により調査データセットが汚染される可能性があります。自動運転車両の場合、地図、予想ルート、車両の実際の位置の間に不一致が生じる可能性があります。タイミングに依存するシステムの場合、エラーが有効なものとして受け入れられる可能性があるため、間違った時間基準は GNSS の完全な喪失よりも損害を与える可能性があります。

高度なスプーフィング防止 CRPA ソリューションは、アレイ情報と信号処理方法を使用して、疑わしい信号の認識を向上させます。一部の設計では、リプレイ スプーフィングと生成スプーフィング パターンを認識し、検出されたスプーフィング ソースと干渉状態に関するレポートを提供できます。たとえば、CHREDSUN の高容量デュアル周波数 AJ‑SX370D 仕様では、抑制妨害、スプーフィング、複合攻撃に対する保護と、妨害電力、妨害電波数、およびなりすまし送信元数のリアルタイム レポートが記載されています。

CRPA アンテナの違い

制御受信パターン アンテナは、単に標準の GNSS アンテナを強化したものではありません。その特徴は、信号処理と組み合わせられた多素子アンテナ アレイです。各要素は、わずかに異なる物理的な場所から RF 環境を受信します。システムはこれらの受信信号を比較し、入ってくるエネルギーの方向特性を推定し、全体の受信パターンを再形成する重みを適用します。

目的はシンプルです。衛星から到着する弱いけれども有効な信号を保存し、別の方向から到着する不要な信号の影響を軽減することです。一般的なアプローチの 1 つは、適応ヌル ステアリングです。 「ヌル」とは、アンテナの受信パターンにおける感度の低い領域のことです。システムが特定の方向からの干渉を検出すると、そのソースに向かってヌルを形成し、空の他の場所にある衛星のカバレッジを維持しながら、干渉に対する方向の死角を効果的に作成できます。

利用可能な配列要素が増えるほど、空間フィルタリングはより複雑になる可能性があります。多くの場合、4 素子 CRPA は、軽量のプラットフォームや要求の少ない RF 環境に適しています。 8 要素アーキテクチャにより、複数の干渉源に対してより大きな容量が提供されます。 16 素子およびデュアル アレイの設計は、より強力なジャミング防止およびスプーフィング防止機能が必要とされる、より複雑な環境、高価値のプラットフォームまたはアプリケーションを対象としています。

これは、すべてのアプリケーションが可能な限り最大の配列を必要とするという意味ではありません。 CRPA アンテナの選択は、保護レベル、プラットフォームのペイロード容量、電力バジェット、統合スペース、動作環境、総コストの間のエンジニアリング バランスによって決まります。単に要素が多いものを選択するのではなく、ミッションに合ったものを選択するのが正しい選択です。

GNSS 機器に耐妨害アンテナを取り付ける理由は何ですか?

アンチジャミング アンテナの場合、すべてのプラットフォームが意図的な攻撃に直面するわけではありません。より強力な議論は、衛星ナビゲーションが十分に重要になっているため、GNSS の可用性と信頼性を設計上の考慮事項として扱う必要があるということです。多くの商業運用では、プラットフォームは理想的な RF 環境を安全に、または利益をもたらすように想定することができません。

GNSS ジャミング防止アンテナまたはスプーフィング防止アンテナを設置する主な理由は次のとおりです。

1. ミッションの継続性を守る

GNSS が失われると、プラットフォームが停止したり、帰還したり、手動制御に切り替えたり、動作速度が低下したり、ミッションを放棄したりする可能性があります。中断するたびに時間、労力、そして場合によってはデータが消費されます。

送電線を検査するドローンの場合、ナビゲーションが失われると、飛行を中止して展開を繰り返すことが必要になる場合があります。農業用航空機の場合、噴霧または播種パターンが中断される可能性があります。モバイル マッピング車両の場合、記録されたデータセットにギャップが残る可能性があります。港湾車両やロボットの場合、ワークフロー全体が遅くなる可能性があります。

CRPA アンテナは、ナビゲーション システムへのよりクリーンな RF 入力を維持するのに役立ちます。すべての運用リスクを排除することはできませんが、干渉によって回避可能なダウンタイムが発生する場合の回復力を大幅に向上させることができます。

2. 自律システムの安全性の向上

自律性は立場に対する自信に依存します。位置推定が不正確になると、ルート計画、ジオフェンシング、衝突回避、ミッション ロジックのすべてに影響が出る可能性があります。

プラットフォームには、カメラ、慣性システム、レーダー、ライダーなどの他のセンサーが搭載されている場合がありますが、多くの場合、GNSS は、ローカルの観測を計画されたルートに結び付けるグローバル基準を提供します。 GNSS の信頼性が低くなると、システムはより保守的に動作するか、停止せざるを得なくなる可能性があります。

アンチジャミングおよびアンチスプーフィングアンテナは、そのグローバルリファレンスの信頼性を向上させるのに役立ちます。これは、人、機器、構造物、水路、道路、または敏感なインフラストラクチャの近くで動作するシステムにとって特に重要です。

3. データ値の保持

高精度のマッピングと測量は、すべての画像、点群、測定、または観察を正確に位置特定できる場合にのみ価値があります。一時的な GNSS の問題は、収集中には明らかではないかもしれませんが、後で大きな処理上の問題を引き起こす可能性があります。

マッピング チームは、データがずれている、座標の一貫性が失われた、または高価な修正作業が必要であることに気づく場合があります。したがって、堅牢な GNSS アンテナの設置は、ナビゲーションに関する決定だけではありません。それはデータ品質の決定でもあります。

航空測量および移動測量作業の場合、操作を繰り返すコストは、プロジェクトの開始時に適切な GNSS 保護ソリューションを選択するコストよりもはるかに高くなる可能性があります。

4. 高密度の RF 環境への曝露を減らす

港湾、物流ヤード、変電所、建設現場、工場、都市部、沿岸施設、輸送通路など、RF が集中する環境の近くで民間活動が行われることが増えています。このような場所には、通信システム、スイッチング装置、電気インフラ、反射性の金属構造物、および多くの RF 活動の発生源が含まれる可能性があります。

これらの領域におけるすべての信号問題に悪意があるわけではありません。その多くは、通常の環境の複雑さによって引き起こされます。しかし、ナビゲーションの結果は同じです。受信機は信号品質の低下、誤ったロック動作、マルチパス効果、または短時間の中断を経験する可能性があります。

多素子 GNSS アンテナは、システム インテグレータに、これらの環境向けに基本的なパッシブ アンテナよりも優れたフロント エンドを提供します。

民間および商業用途

CRPA GNSS ジャミング防止およびスプーフィング防止アンテナは、信頼できるナビゲーションが安全性、効率性、データの整合性をサポートする合法的な民間および商業用途向けに設計されています。

無人高所作業車

マルチコプターおよび固定翼 UAV は、多くがルート追跡、位置保持、帰還機能、ジオフェンシング、ミッション自動化に GNSS を使用しているため、ナビゲーションの信頼性に対して敏感です。産業用 UAV は、信頼性の高い位置情報が不可欠な農地、公共施設の通路、鉱山、海岸地域、検査場、または開けた地形上で動作する場合があります。

CRPA アンテナは、局所的な RF 妨害の影響を軽減し、自動操作中のより安定した GNSS 受信をサポートします。適切なアレイ サイズは、航空機のペイロード容量、予想される干渉条件、利用可能な電力、およびミッション中断のコストによって異なります。

高精度マッピング

航空およびモバイル マッピング システムは、信頼できる位置参照を維持する必要があります。位置決めエラーにより、画像、写真測量、点群、資産レコードの価値が低下する可能性があります。

GNSS ジャミング防止保護は、建物、橋、電力インフラ、産業機器、または都市の無線環境の近くでマッピングを行う場合に特に役立ちます。より復元力の高いアンテナ フロントエンドにより、座標の一貫性が保護され、キャプチャされたデータセットの信頼性が向上します。

海上事業

無人水上船舶、港湾設備、沿岸測量プラットフォーム、商用海洋ナビゲーション システムは、港湾インフラストラクチャ、海洋通信、反射面、近隣の設備によって引き起こされる複雑な信号状態に直面する可能性があります。 GNSS は、ルート制御、測点維持、マッピング、水路操作、および資産追跡をサポートする場合があります。

堅牢な CRPA ソリューションは、ナビゲーション品質が突然低下した場合に、簡単に停止したり手動で方向を変更したりできないプラットフォームに、GNSS 復元力の追加レイヤーを提供できます。

自律地上システム

自律走行車、現場機械、ヤードロボット、誘導機器は、反復可能な位置決めに依存しています。プライベートキャンパス、工業ヤード、港、倉庫、建設地帯、または鉱山現場で活動する場合があります。

このような場所では、金属構造物、電気機器、高密度の無線システムにより、GNSS パフォーマンスが複雑になる可能性があります。アンチジャミング アンテナは、自動運転ロジック、ルート管理、安全手順で使用される GNSS 入力の整合性を向上させるのに役立ちます。

電力および事業所の検査

送電線、変電所、送電線、大規模な金属構造物は、ドローンやロボット検査プラットフォームにとって厳しい動作環境を生み出します。検査作業は多くの場合、高電圧インフラの近くで行われます。そこでは、安全な空間を維持し、正確なルートを繰り返し、一貫した視覚データまたは熱データを収集するために、信頼性の高いナビゲーションが必要とされます。

GNSS 保護アンテナは、特に作業に繰り返しの自律飛行計画や長い直線ルートが含まれる場合に、ナビゲーションの中断を軽減するのに役立ちます。

農業事業

精密な農業は、再現可能なライン、制御されたオーバーラップ、および正確な圃場境界に依存します。散布、散布、播種、作物調査、圃場マッピングはすべて、信頼性の高い GNSS の恩恵を受けます。

GNSS 信号が低下すると、カバレッジの欠落、重複、材料の無駄、不必要な土壌の圧縮、一貫性のない現場記録などのコストが発生する可能性があります。コンパクトなアンチジャミング アンテナは、あらゆる通過が重要となる農業用 UAV、自律型機器、誘導システムにとって実用的なアップグレードとなります。

森林および環境モニタリング

林業、環境調査、土地管理の任務は、多くの場合、人里離れた地形、樹冠の周囲、天候の変化、限られたインフラストラクチャの中で行われます。部分的な空の障害物とマルチパスにより、GNSS 条件はすでに困難になっている可能性があります。

弾力性のあるアンテナは物理的な障害物を取り除くものではありませんが、追加の RF ストレスから受信機を保護するのに役立ちます。これは、樹冠調査、野生生物の監視、生態地図作成、植林計画、現場データ収集に役立ちます。

物流および商業配送

商業配送プラットフォームは、空輸か地上ベースかにかかわらず、市街地での反復可能なルーティングを必要とします。ナビゲーションエラーは、配送効率、サービスの信頼性、安全プロセスに影響を与える可能性があります。

配送業務が拡大するにつれて、GNSS の品質は単一プラットフォームの問題ではなく、車両レベルの懸念事項になります。ジャミング防止およびなりすまし防止保護は、慣性センサー、視覚的位置測定、運用監視と並んで、より広範なナビゲーション復元戦略の一部として使用できます。

民間緊急対応

捜索、評価、災害検査、状況認識飛行は、通常のインフラが損傷したり、混雑したり、利用不能になったりしたときに行われることがよくあります。民間対応チームは、資産の調整、危険箇所のマーク、影響を受けた地域の地図作成、調査結果の伝達のために、信頼できる位置情報を必要としています。

GNSS 保護は、困難な運用状況でもナビゲーションの継続性をサポートし、対応組織が回避可能な信号の中断によって時間を無駄にすることなく、ミッションに集中できるようにします。

適切な CRPA アンテナの選択

GNSS 保護アンテナの選択は、見出しの dB 値だけでなく、プラットフォームと動作環境から始める必要があります。

ミッションから始める

GNSS が失われたり、誤解を招くような場合にはどうなるかを尋ねてください。その結果、リスクの低い農業作業が一時的に停止される場合には、コンパクトなジャミング防止製品が適している可能性があります。その結果、調査データの破損、安全でない自律ルート、またはタイミング整合性の損失が発生した場合、より大きなアレイ、またはジャミング対策とスプーフィング対策の組み合わせソリューションが正当化される可能性があります。

RF環境を評価する

システムが高電圧機器、都市インフラ、工業用地、港湾、金属構造物、無線送信機、または既知の GNSS 問題領域の近くで動作するかどうかを検討してください。また、主なリスクが信号の遮断、偶発的なノイズ、または誤った信号への曝露の可能性であるかどうかも考慮してください。

従来の干渉が主な懸念事項である場合には、抑制のみのアンチジャミング設計が適していることがよくあります。ナビゲーション信号の信頼性が可用性と同じくらい重要である場合には、アンチジャミングとアンチスプーフィングの設計がより適切です。

アレイのサイズをリスクに合わせて調整する

実用的な選択ガイドは次のとおりです。

CHREDSUN の製品範囲には、コンパクトな 4 素子製品から 8 素子、16 素子、デュアルアレイ構成までのアレイ オプションが含まれており、お客様はプラットフォームやミッション プロファイルに合わせてソリューションを拡張できます。

周波数とコンスタレーションのサポートを検討する

単一周波数製品は多くのアプリケーションに効果的ですが、デュアル周波数とマルチコンステレーションのサポートにより、ナビゲーションの可用性と設計の柔軟性が向上します。 B1、E1、L1、L5 の組み合わせで BDS、GPS、Galileo をサポートする製品は、インテグレータがより堅牢なシステムを構築するのに役立ちます。

たとえば、AJ-SX370D は、BDS B1I/B1C、Galileo E1、GPS L1/L5 をサポートし、デュアル 16 素子アレイを使用し、内蔵受信機または外部受信機構成をサポートします。これらの機能は、民間プラットフォームがより高容量の GNSS 保護アーキテクチャを必要とする場合に関連する可能性があります。

統合要件を確認する

最後に、実際的な詳細を確認します。

• アンテナの寸法、重量、取り付け方法

• 電源入力範囲と総消費量

• RF出力の互換性とコネクタの種類

• シリアルプロトコル、PVT出力およびモニタリングインターフェイス

• 環境保護レベルと温度定格

• 熱設備の要件と空の可視性

• 現在の受信機、フライトコントローラー、またはナビゲーションコンピューターとの互換性

紙の上では優れたアンテナであっても、金属製の障害物の下に設置されたり、適切に分離されずに RF エミッターの近くに設置されたり、冷却が不十分であったり、低品質の RF ケーブルで接続されていたりすると、依然として性能が低下する可能性があります。

インストールは製品の選択と同じくらい重要です

CRPA アンテナが本物の GNSS 信号を効果的に受信するには、空がはっきりと見える必要があります。受け面は障害物が最小限に抑えられるように上向きにする必要があります。アンテナがプラットフォーム カバーの下に設置されている場合は、L バンド信号が大幅に減衰しないように、カバーには適切な RF 透過性の素材を使用する必要があります。

熱管理も重要です。多くの統合アレイ アンテナは、金属ベースを放熱面として使用します。設置者は、製品の機械的ガイダンスに従って、適切な通気または熱接触を維持する必要があります。たとえば、AJ-SX370D の取り付け説明書では、金属ベースの下に空気の流れを提供するためにオーバーヘッド取り付けを推奨しており、ユニットが体内に取り付けられている場合、アンテナ上の素材が少なくとも 92% の L バンド透過率を提供する必要があると指定しています。

適切な設置方法が適切な製品の選択に代わることはできませんが、設置が不十分だと、たとえ高性能のシステムであっても損なわれる可能性があります。

問題が発生する前にナビゲーションの回復力を構築する

GNSS アンチジャミングおよびアンチスプーフィング アンテナは、異常な状況にのみ適用されるものではありません。これらは、衛星ナビゲーションに依存して安全に運行し、信頼できるデータを収集し、継続的な運営を維持する民間組織にとって実用的なエンジニアリング ツールです。

CRPA アンテナの真の価値は、単に素子数や最大抑圧数ではありません。その価値は、自動化された航路、調査データセット、船舶の針路、ロボットの動作境界、現場での動作、重要なタイムスタンプ、または作業を安全に完了するチームの能力など、保護するものにあります。

低リスクのアプリケーションの場合、抑制に重点を置いたコンパクトな GNSS アンテナが、パフォーマンスとコストの適切なバランスを実現する可能性があります。高価値のプラットフォーム、複雑な RF 環境、または不正確なナビゲーション データが受け入れられないミッションの場合、ジャミング防止とスプーフィング防止の CRPA ソリューションを組み合わせて、ナビゲーションの信頼性を高める強力な基盤を提供できます。

CHREDSUN は、より強力なナビゲーション保護を必要とする顧客向けに、複数のアレイ サイズにわたる GNSS アンチジャミング アンテナと、統合されたアンチジャミングおよびアンチスプーフィング ソリューションを提供します。プラットフォームの選択、技術相談、OEM/ODM のカスタマイズ、インターフェイスの適応または統合サポートについては、電子メールまたは WhatsApp でエンジニアリング チームに問い合わせて、GNSS 環境、ミッション要件、および最適なアンテナ構成について話し合ってください。