Comments 52
У меня давно был вопрос. Все говорят до сих пор что GPS имеет "военные" частоты и "гражданские". Первые дают точность в миллиметры чтобы самолёты летали и ракеты падали куда надо. Вторые частоты для "обычных людей" и там точность такая что не всегда машина даже может понять на какой полосе она едет... Но это все "слухи", а на практике как? Вся эта байка в моем представлении разбивается о то, что если сигнал излучается и нет фидбэка назад, то никто не запретит принять "военный" сигнал и использовать для того чтобы кататься на велике. Вопрос лишь в том, что может быть закрытый протокол, но за 30 лет использования его бы уже давно изучили и разобрали по полочкам, хотя бы потому что он был 30 лет назад придуман а не вчера. Тот же GSM давно "реверснули" и получили кучу плюшек...
"Военные" сигналы GPS - это сигналы с P(Y) (L1P, L2P в таблице) и M (L1M, L2M в таблице) кодом. У них в 10-20 раз шире полоса, чем у соседних гражданских сигналов. Это позволяет существенно снизить ошибку многолучевости и шумовую ошибку, но все остальные источники ошибок никуда не уходят. Поэтому при прочих равных можно говорить об увеличении точности позиционирования раза в два.
Прелесть M и P сигналов в другом:
1. Их дальномерный код является, по-сути, хэшем от текущего времени. Ключики периодически меняют, сломать их тяжело. Это защитает от спуфинга и ретрансляционных помех.
2. Широкая полоса увеличивает на порядок помехоустойчивость, что в разы сокращает радиус действия помехопостановщика
3. У M сигнала есть режим spot beam, когда его мощность поднимается на два порядка на ограниченной территории
ну я так и не понял, почему они "военные" и "не для всех" если известно что это за сигнал? ну так почему в машины ставят "плохой" приёмник? если есть спецификация - то почему никто не разработал приёмник и не продаёт?
Ключи распространяются только среди специальных потребителей, да и спецификация открыта лишь частично.
Есть приемы, позволяющие принимать эти сигналы без ключа, но с существенной потерей в отношении сигнал/шум. Несколько десятелетий назад сигналов и спутников было мало, это было актуально. Реализация встречается в старых геодезических приемниках
берем готовый девайс с ключом, его всё равно никто не будет проверять так как обратной связи нет... реверсим... профит... такое делается на право и налево во всех отраслях и софтовах, видимо просто GPS нафик никому не сдался, как тот самый неуловимый Джо...
Ключи индивидуальные для каждого приемника, они хранятся в аппаратном SAASM блоке. Даже если его расковырять, ключ скоро сменится и старый станет бесполезным.
каким образом новый ключ попадет в девайс?
Мне, к счастью, не приходилось получать такой ключ. Но могу предположить, что по любому доверенному каналу.
Тут главное обеспечить целостность ключа. Если он будет перехвачен, то ничего страшного. А вот если искажен, то с приемом сигналов будут проблемы.
Секретчик из штаба приедет с секретным чемоданом и его прошьёт.
У военных, в отличие от гражданских применений, шифрование построено на одноразовых ключах из шифроблокнотов. Его нельзя вскрыть раз и навсегда, а только на время действия ключа, которое весьма невелико. Дальше придётся снова с нуля вскрывать вторую строчку шифроблокнота и т.д.
Но в реальности военные просто аннулируют шифроблокнот утраченного девайса.
откуда пентагон узнает что девайс утрачен? их же миллионы?
Их далеко не миллионы.
Если он работает в военном режиме GPS (а это, в основном, только стратегические вооружения), то в нём содержатся секретные ключи и, соответственно, применяется совершенно секретный шифроблокнот. Утрату секретного или, тем более, сов. секретного носителя невозможно не заметить даже при том бардаке, который, по слухам, бывает иногда в Пентагоне.
Подавляющее большинство военной техники работает в гражданском режиме, именно чтобы не связываться с суровыми мерами по поддержанию секретности.
HIMERAS оснащены GPS - их сейчас в У используют сотнями если не тысячами, несколько из них захвачена на складах. Часть упала не взорвавшись... Возможно похожа ситуация с натовскими 155 мм с цифровым наведением...
Они используют гражданский режим GPS, как и любая другая экспортная техника.
Причём думаю, что и в армии США HIMARS используют только гражданский режим. Не с руки артиллеристам связываться со всей этой бодягой.
Спецпотребители GPS – это, в основном, аппаратура вроде ядерных подводных лодок, авианосцев, стратегических бомбардировщиков и т.п.
Мне казалось, что GPS излучал на двух частотах L1 и L2. При этом L1 кодировался гражданским Y ключом, а L2 как гражданским Y так и военным P и в мирное время P ключ был в принципе доступен, но система имела возможность закрываться, и на гражданское использование налагать ограничения. Дополнительная же точность военного приемника достигалась за счет того, что время прохождения ионосферы для сигналов разной частоты разное, но различие этого времени дает понимание о состоянии среды между спутником и приемником.
Что касается расковырять - то ключ не является фиксированным и может меняться.
Но тем не менее, спуфинг GPS - вполне реальная тема даже для военных дронов.
В статье написано, что точная временная метка находится внутри сигнала. Функция сигнала может включать генератор псевдослучайных последовательностей, например. Или симметричное шифрование/кодирование.
Как реверснуть такое решение?
Ну и из за однонаправленности потока ассиметричное шифрование применить сложно. А симметричное - предполагает хранение обеих частей шифра. А военные хранить умеют.
Тут два варианта:
1. Обеспечить формирование одних и тех же последовательностей как на борту спутника, так и в приемнике. Для этого ключ передавать по отдельным каналам (сигналы санкционированного доступа).
2. Накладывать случайные последовательности так, чтобы они не исключали прием сигнала отдельными кусочками (codeless режим для сигналов санкционированного доступа, цифровая подпись для сигналов гражданских).
Миллиметровую точность можно добиться и другим способом:
Ставишь в точке с известными координатами второй приемник, обеспечиваешь устойчивую связь между двумя приемниками. Специальный софт. Готово. Не всегда, не везде, но в большинстве работает, все будет зависеть от "мобильного" приемника.
Напишите пожалуйста про развитие глобальных навигационных спутниковых систем.
Тема широкая, но я подумаю. Как мининимум, потребуется разбить на статьи о разных системах, а может и отдально писать про спутники, отдельно про наземный сегмент, отдельно про приемники.
И таймлайн развития приемников неплохо, я надеюсь, отражают две вот эти статьи:
https://habr.com/en/post/664110/
https://habr.com/en/post/664132/
Очень плотно, сжато и по делу.
В этой задержке, собственно, и находится полезная информация. Для каждой точки пространства характерно своё сочетание задержек сигналов разных спутников.
Уход собственных часов дает одинаковый вклад во все наблюдаемые задержки, как подставка. Эта подставка оценивается наравне с координатами приемника. Она выступает четвертой неизвестной в системе уравнений. По этой причине для первого определения нужны наблюдения хотя бы от четырех спутников.
Зачем тогда вообще свое время? Ну сравнивать с нулем например.
Вот за ноль и берётся сигнал 4-го спутника, часы которого высоко синхронны с остальными. Иначе — в трёх уравнениях дальности от 3-х спутников будет свободная переменная и решая их систему можно оказаться в другой точке.
Время обычно идёт, а вот ноль со временем не меняется :)
Можно и с нулем, но это не сократит число необходимых спутников.
Собственно, если при старте приемника недоступна сотовая сеть, а его RTC по какой-то причине на работают (батарейка села), то он и стартует с нуля. В нашем приемнике таким нулем выступает 1 января 1970 года.
Ноль - это частный случай плохих часов. Часы, которые встали. В этом случае поправка, которая будет получена в результате решения навигационной задачи, составит 52 года.
Так есть или нет приемник работающий сразу со всеми 4-я системами навигации?
Почему GPS, Galileo, ГЛОНАСС имеют группировку спутников, насчитывающую 24-30 аппаратов, а Китай решил использовать 48?
Сейчас одновременно работают спутники и второй фазы, и третьей. Со временем отключат аппараты второй фазы и переведут в резерв.
Нельзя напрямую сравнивать, у них орбитальные плоскости тоже расположены по-разному. Бейдоу спроектирована так, чтобы очень плотно покрывать низкие широты, что ценно в условиях высотной городской застройки в городах Китая. А в Арктике, например, гораздо лучшее покрытие у ГЛОНАСС.
статью можно дополнить вот такой ссылкой на самодельный приёмник GPS из палки-верёвки (ну, почти): http://www.aholme.co.uk/GPS/Main.htm
Не знаю с чем это связано, но на телефоне GPS test при старте первым делом находит спутники GPS и только примерно через полминуты ГЛОНАСС, BEIDOU и прочие. Особенность чипсета, мощность передатчиков, зона обслуживания или что-то другое?
И даже когда приёмник поддерживает несколько систем, в работе больше десятка спутников, хороший SNR - ошибка определения высоты по прежнему может быть +-50 метров, хотя точность определения координат например 3 метра.
Правильно ли я понимаю, что если оснастить GPS-приёмник атомными часами, то будет достаточно принимать 3 спутника «за раз» для навигации, а если ещё оснастить «идеальным» (в некотором смысле этого слова) инерциальным модулем, то достаточно будет одного спутника «за раз»?
Идеальные атомные часы и идеальный инерциальный модуль - это идеальные значения производных геометрических параметров, а не их абсолютные значения. В этом случае вы можете выставить начальную точку по старой доброй ГНСС, а дальше работать по идеальным приборам, отсчитывая от этой начальной точки.
Альтернативный вариант - разыграть количество спутников на время. По вращению Земли определить направление на север, по реакции опоры - вертикаль, пронаблюдав несколько часов один спутник - определить своё местоположение. В этом случае да, навигационная система могла бы состоять из одного спутника, идеальных часов и идеальных инерциальных датчиков. Но часа 2-3 на инициализацию уйдет.
Спасибо. Мой вопрос был по второму сценарию — без возможности инициализации точными значениями.
Допустим, я просыпаюсь в какой-то неизвестной пустыне (в более сложном случае — дрейфующим где-нибудь в океане). У меня есть навигационный приёмник с идеальными часами и идеальной инерциальной системой, но он выключен — не инициализирован. А в космосе только один рабочий спутник. Я своё оборудование включаю и начинаю принимать сигнал.
Если при выключении питание сбрасывалось с часов и инерциалки, то придется подождать, как я сказал, 2-3 часа. За это время можно сделать гирокомпасирование и пронаблюдать спутник в разных точках небосклона. Гирокомпасирование даст ориентацию, спутник - положение. А дальше можно уже работать по инерциалке.
Очень интересно будет почитать про реализацию универсальных каналов. Не получается там так, что для каких-то систем реализация слишком усложняется?
Галилео, это ж какой-то головняк, говорят, в сравнении с первыми двумя(ми).
З.Ы. привет, МЭИ! (А-12-96)
Можно ли отключать сигнал над определенной территорией? Какой минимальный при санкционировании такого действа получается тогда участок территории?
Что Вы можете порекомендовать прочитать про цос обработку внутри gps приёмников?
Могу нескромно дать ссылку на свое учебное пособие по курсу навигационных приемников:
https://github.com/Korogodin/gnssrec
К сожалению, оно так и не опубликовано, поэтому часть глав в незавершенном виде, и нет редактуры
Спасибо за учебник.
Я почитал ту часть, которая меня сейчас интересует: Система слежения за фазой.
Подстраивание фазы NCO. Однако порог вхождения очень высокий. Я не понимаю как это реализовать в Си-коде.
Никак не получается выделить биты NavData из лога однобитных семплов I, и я не понимаю как это отладить.
Как подстраивать фазу Local Oscillator при приёме GPS сигнала?
Каков механизм работы контура Phase Lock Loop?
Ни разу не встречал приемник, в котором требовалось бы подстраивать фазу LO. Максимум - фазу клока. Такая мысль может возникнуть, если у вас многоантенная обработка и важно сохранить фазовое распределение между каналами различных антенн. Но в этом случае проще выполнить доворот фазы уже на этапе цифровой обработки. Типично - просто довернуть квадратуры на выходе коррелятора.
LO формируется с помощью PLL: VCO, дискриминатора и делителя. Берете сигнал опорного колебания - кварца на 10 МГц. Стабилизируете фазу сигнала, полученного от VCO делением, сравнивая его дискиминатором с опорным колебанием. Связав фазу VCO с фазой опорного колебания, из VCO получаете LO для всех частотных диапазонов делением. В навигации, как правило, используются целые коэффициенты, т.е. не используется fractional режим синтезатора. Иначе фаза сигнала и фаза огибающей начинают расходиться.
Подстраивать частоту LO смысла нет, не IXX век. Даже дешевый OCXO дает разброс частоты LO около 1 кГц. Сигнал точно пройдет ПЧ фильтры. Но в некоторых приемниках может быть физическое дисциплинирование не LO, а опорного генератора, если он потом используется для тактирования каких-то внешних устройств. Но это экзотика
Ни разу не встречал приемник, в котором требовалось бы подстраивать фазу LO
Если не подстраивать фазу LO, то сигнальное созвездие вырождается в круг.
Как же тогда добиться того чтобы cигнальное созвездие было два пятна на оси I?
Если использовать англоязычные термины, то для этого подстраивается фаза NCO, а не LO. NCO - это цифровые генераторы колебаний, индивидуальные для каждого сигнала. Подстраиваются они PLL канала обработки этого сигнала. В простейшем случае это классическая следящая система: фазовый дискриминатор, фильтр, по выходному сигналу фильтра коррекция частоты NCO. Фильтр, как правило, 3 порядка, полоса от 3 до 30 Гц. Дискриминатор - простая функция корреляционных сумм, полученных взятием скалярного произведения обрабатываемого и опорного сигналов. Опорный сигнал - тот самый, частотой которого управляет фильтр через NCO.
В более сложных случаях данные разных каналов могут объединяться для устранения общей составляющей, вызванной нестабильностью опорного генератора (coop tracking), разные сигналы одного спутника могут объединяться в один метасигнал, может компенсироваться движение приемника на базе данных от инерциальных датчиков, объединяться наблюдения от нескольких антенн и т.д., но это все специальные решения
Сигналы глобальных навигационных систем