GNSS Anti-Jam Techniques

1. 김기윤(2013): 항재밍 기술

- 측위신호레벨: -130dBm

- 간섭(재밍) 신호 분류:

* 의도적, 비의도적

* 협대역(단일주파수 협대역 swept jamming, 다중주파수 협대역), 광대역

- J/S

ㅇ 항재밍 기술

1) Pre-correlation method

- 적응배열

-

2) Post-correlation method

- Code/carrier tracking technique

- Minimization of pre-detection bandwidth aided by INS (with velocity information of GPS receiver)

- Tracking jamming signal and removal by using GPS data

3) 다양한 항재밍 기술의 복합적 사용

ㅇ 국내외 연구동향

1) 국내

- 국방과학연구소, 대학연구실, 방위산업체(삼성탈레스, LIG넥스원, 단압시스템즈)

- 위성항법 수신기 개발업체

- GBNS(Ground-Based Navigation System)

의사위성(pseudo-satellite) sysem. 높은 지형이나 공중에 의사위성 신호송출 고출력 송신지 사용. 2011.2월부터 국과연주관 개발 중. 대통령 특명사업인 '번개사업'에 포함. 적용범위 수십 km. 정확도 위성항법보다 떨어짐. 유사시 적의 타격 용이.

- P(Y) 코드 사용: 2011.9 미국에 GPS 군용칩 판매 요청. T-50훈련기, 수리온 헬리콥터에 적용

- 아센코리아

2012년 GPS/GLONASS/Galileo 동시 수신 칩 AKMG6 개발. 불루투스, WiFi 간섭으로부 성능저하를 방지하기 위핸 RF내성 보유.

2013.7 GPS/Galileo/GLONASS/QZSS 동시 수신모듈 G3 개발(11x13mm)

GPS/GLONASS 동시 수신시 동시수신 위성수 평균 7.8개

GPS만 수신시 위성수 평균 4.4개

- 한국항공우주연구원

'전파 위협원 위치추적시스템': 2013.8. 공항주변에 4대의 정밀한 GPS 안테나 설치. 공항주변에서 발생하는 재밍 신호원의 위치를 탐지(도달시간차와 각도). 정확도 50m @ 10km, 100m @ 20km

- 한국전자통신연구원 위성항법팀

위성항법 지상국에서 위성항법신호의 특성을 파악하여 왜곡, 전파간섭 등 이상 유무를 검출하여 사용자에게 배포하여 활용하게 하는 시스템 개발

2) 국외

*Raytheon

- DAR(Digital Anti-jam Receiver): 7-element CRPA, frequency space time adaptive processing. F-35에 적용.

- AGR(Anti-jam GPS Receiver): AGR-4. high quality pseudorange/delta pseudorange value 제공. LOS 위성 8개까지 추적. 입베디드 SW기반 SAASM 적용.

* Thales

- TopShield: 항공기용. 4-element CRPA, DAE(digital antenna electronics). full digital space time adaptive processing. J/S 90dB. CW, FMCW, pulsed narrowband, broadband 재밍신호 억압. Galileo 포함 모든 위성항법 신호 항재밍 능력. 230x160x45mm, 2.4kg, 3.5" 안테나 배열

* Rockwell Collins

- DIGAR(digital integrated GPS anti-jam receiver): 미국해군의 JPALS(Joint Precision Approach and Landing System) 요구사항 만족. CRPA 적용 위성방향 강력한 digital beamforming 구현. 24-ch SAASM. 16-ch L1/L2 beam forming. 20MHz bandwidth jammer의 경우 5개 추적 85dB, 3개 추적 100dB. 203x58x305mm, 5kg

* Mayflower Communications

- RFI 제거기술 특허보유: adaptive temporal filter, adaptive spatial filter, adaptive-spatial temporal filter, self-interference canceller

- SAS(Small Antenna System): 5-ch L1/L2 anti-jam, BAE Systems에 납품. 152x114x76mm, 1.13kg, 3.5" CRPA, J/S 90dB

* Novatel

- GAJT(GPS Anti-Jam Technology): 'Gadget'. 영국의 QinetiQ사와 공동개발. 직경 290mm. 지상이동체용. CRPA와 같은 복잡한 기술 미사용. 6-ch L1/L2 anti-jam protection

2) 국외

* 미국

- ION(Institute of Navigation)

- PLANS(Posotion Location and Navigation Symposium)

- DoD, Air Force

ㅇ 안테나 기술

- Adaptive array:

1) Beam steered array: 첨예한 빔을 고속스캔하여 위성신호 수신, 안테나 크기 대

2) Null-steered array: controlled reception pattern array (CRPA), 간섭방향으로 안테나 영점 형성. 안테나 이득 패턴은 반구형, 안테나 소자가 N개일 경우 N-1개의 영점 생성가능

ㅇ Front-end filtering:

- 인접대역에서 유입되는 간섭신호 억제

ㅇ AGC

- Mode transition based on the presence of jamming signals: between acquisition and tracking

- Jammer to noise power level measurement

ㅇ Digtial anti-jam processing

- Digitize IF signal for adaptive array beamforming

- Spatial nulling

- Spatial time adaptive processing

- Spatial freqeuncy adaptive processing

- Amplitude domain processing

- Anti-jam capability dependent on the pre-detection bandwidth

- All digital implementation

2. 정태희

- Sample Matrix Inversion Method

- Anti-jam 기술

Receiver RFI susceptibility thresholds

In-band CW signal interference

Over-driven with out-of-band signal

GPS L1 1575.42MHz, C/A spreading code with a chip rate of 1.023Mbps, unique code from a family of 1023 Gold codes, 50bps navigation message, BPSK with modulo-two addition of the C/A code and navigation message data

GPS L2 1227.60MHz, 10.23Mbps

[GPS Basics]

- Atomic clock on SV: 10^-13 stability

- SV orbit: inclined 55 deg from equatoral plane

- Chip length

- Modulo-2 sum

- BPSK

- Pseudorange

- Carrier phase

- Solution to the pseudorange equation: recursive estimation such as a Kalman filter

- Spread Spectrum Jamming Margin Mj

Threshold: starting point of deterioration

LAS: loss of all satellites

* Zhong

- Tracking loop threshold

- Tracking jitter

- Digital receiver: digitized at IF

- DSP: correlation, baseband tracking

- Code tracking loop

- Carrier tracking loop

1) J/N meter: RFI detection, IF signal level compared with preset value. Gain in AGC indicates J/N

2) Front-end filtering

- To reject out-of-band RFI

- 2MHz bandwidth pre-filter

- Post-downconverter filter

3) Code/carrier tracking loop

- Implemented in DSP

- Narrowing code and carrier tracking loop filter bandwidth

- Also reduces the line-of-sight dynamics (Doppler frequency shift due to receiver motion)

4) Temporal filtering

- DFT of IF signal

- Removal of RFI in spectral domain and inverse DFT

5) Antenna technique

- CRPA(controlled reception pattern antenna): N-element array antenna

- CRPA electronics

- Detection of RFI

- N-1 nulls to RFI direction

- Depth of nulls limited the number of simultaneous nulls

L : implementation and ADC loss

P_r = -160dBW(L1 C/A): In reality -125 to -135dBm (+5dBic to -5dBic antenna gain)

G_r = 0dB

N_f = 4dB

L = 2dB

C/N₀ = 38.4dB

C/N₀ = 17dB for code tracking loop threshold

C/N₀ = 25dB for carrier tacking loop PLL threshled

Thermal noise: -174dBm/Hz

Position fix = -142dBm min. C/N0 = 26dB min. (30 to 32dB, in other estimates)

Tracking = -160dBm min. C/N0 = 12dB min.

Sensitivity = -174dBm/Hz + C/N0 + NF

Q: spreadspectrum gain adjustment factor (1: NB, 2: WB)

f_c: GPS PRN code chipping rate (chips/s) (1.023×10⁶)

Code tracking:

Carrier tracking:

- CRPA by Satimo

Bands: E5a, E5b, L2, E6, L1

Microstrip multilayer technology

Element size: 9-cm dia, 2-cm radome height

Element space: 0.7λ at L1

Antenna diameter: 36.5cm

Antenna gain: 3.5-29.8dBi

- Adaptive space-time processor with 3-taps per antenna