RoDAR der Equalizer

In diesem Jahr (2022) führt Hexagon | NovAtel eine neue Funktion für Zwei-Antennen OEM7 GNSS-Empfängern ein – eine Technologie, die uneingeschränkt und kommerziell verfügbar ist. Leistungsstarke Anti-Jam-Funktionen, die bisher nur der Verteidigungsindustrie und ausgewählten Kunden zur Verfügung standen, sind nun für jeden verfügbar, der Störfestigkeit für seine GNSS-Anwendung benötigt.

Die erste auf einem GNSS-Empfänger basierende Anti-Jam-Funktion, die direkt in den Empfänger und seine Positionierungs-Engine integriert ist, wird im Laufe dieses Jahres von NovAtel vorgestellt werden. Sie wurde bereits vor Jahren von NovAtel-Ingenieuren in den OEM7 integriert. Diese Funktion kann ohne zusätzliche Hardware über die Firmware aktiviert werden.

„Wir freuen uns sehr, diese OEM7-Funktion endlich anbieten zu können“, sagte Sandy Kennedy, Vice President of Innovation bei Hexagons Autonomy & Positioning Division. „Sie schlummerte in jedem ausgelieferten OEM7-Zwei-Antennen-Empfänger, und jetzt können Sie sie erwecken! Ein komplettes, geschlossenes, kommerzielles GNSS-Anti-Jam-System mit weniger als 4 W Leistungsaufnahme! Das ist ein großartiges Angebot für Ihr Energiebudget. Multi-Konstellations- und Multi-Frequenz-Unterstützung bietet vielfältigen Schutz, und dann ist da noch aktives Anti-Jamming auf mindestens einem GNSS-Band, wenn die Situation sehr schwierig wird.“

Als Beispiel für neu ermöglichte Anwendungsfälle können die Konstrukteure und/oder Betreiber kleiner unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) mit einem Gewicht von weniger als 5 kg nun kommerzielle Vermessungs- und Kartierungsaufgaben in Umgebungen durchführen, in denen es zu Interferenzen und Störungen kommt. Bisher waren für diese Aufgaben wesentlich schwerere Geräte mit sehr hohem Stromverbrauch erforderlich, was die Zahl der Anwendungen und Fahrzeuge, bei denen der Anti-Jamming-Schutz eingesetzt werden konnte, einschränkte. Da geringes Gewicht und geringer Stromverbrauch in derartigen Anwendungsfällen von kritischer Bedeutung sind, ist Anti-Jamming daher nicht in Frage gekommen. Jetzt ist eine robuste Anti-Jamming-Lösung mit kommerziell erhältlicher Firmware realisierbar.

Das Gleiche gilt für kleine Nahbereichslieferroboter und andere autonome Maschinen, bei denen es ebenfalls auf geringe Größe (Size), geringes Gewicht (Weight) und geringen Stromverbrauch (Power) oder SWaP ankommt. Diese Innovation bietet einen sehr bedeutenden Wettbewerbsvorteil.

Der Name dieser neuen NovAtel-Firmware ist RoDAR, dies steht für ‚Robust Dual-Antenna Receiver‘. Dies ermöglicht die Einführung von Anti-Jamming-Maßnahmen in alle kommerziellen Märkte. Jeder, der einen OEM7-Empfänger mit zwei Antennen besitzt, wie z. B. den OEM7720, PwrPak7D, PwrPak7D-E1, PwrPak7D-E2 oder CPT7, kann sein operatives Equipment um leistungsstarken Jamming-Schutz erweitern.

RoDAR ergänzt – und erweitert – NovAtels GNSS Resilience and Integrity Technology (GRIT) Suite von Anti-Jamming-Tools, die per Firmware verfügbar sind. GRIT umfasst auch das Interference Toolkit (ITK), die Spoofing-Erkennung und zeitlich markierte digitalisierte Samples Die RoDAR-Störungsunterdrückung ist eine von NovAtels GPS-Anti-Jam-Technologie (GAJT) getrennte Lösung. GAJT ist eine exportkontrollierte Technologie die als zusätzliche Ausrüstung am Eingang eines normalen GNSS-Empfängers verwendet werden kann.

Als Referenzprodukt für Anti-Jamming, verwendet GAJT Controlled Reception Pattern Antennas (CRPA sind Antennen mit steuerbarem Empfangsmuster), die an jeden bereits vorhandenen GNSS-Empfänger angeschlossen werden können. RoDAR hingegen ist nur für OEM7-Empfänger verfügbar. Es bietet den Nutzern eine Anti-Jam-Lösung mit geringem SWaP und einen leistungsstarken Schutz vor Jamming bei gleichem Stromverbrauch wie ein ITK-fähiges PwrPak7 (~3,75 W).

Die Rolle von RoDAR in der GRIT-Firmware-Suite

RoDAR ist stets integriert und durch ein Firmware-Upgrade für jeden Zwei-Antennen OEM7-Empfänger, als Teil der NovAtel GNSS Resilience and Integrity Technology (GRIT)-Firmware verfügbar.

GRIT hat bis dato Interferenzen erkannt. Durch das Hinzufügen von RoDAR wird diese Fähigkeit durch ein aktives Anti-Jamming-Tool erweitert, das mithilfe von Frequenzraumanalyse und -verarbeitung gegen alle Arten von Interferenzen schützt, einschließlich der Unterdrückung von Breitband-Interferenzen.

GRIT bietet Werkzeuge zur Situationserkennung, um die Widerstandsfähigkeit einer Lösung gegenüber Interferenzen zu verbessern:

• Spoofing-Erkennung für ein umfassendes Verständnis der Hochfrequenzumgebung, um zu erkennen, wann die Positionierung, Navigation und Zeitmessung (PNT) gefährdet ist.
• Das ITK, das Interferenzen identifiziert und charakterisiert und vor unbeabsichtigten bzw. gezielten / beabsichtigen Interferenzen schützt.
• Mit Zeitmarkern versehene digitalisierte Messungen, ermöglichen es Anwendern, die HF-Umgebung durch Momentaufnahmen der HF-Aktivität zu charakterisieren, um ihre eigenen Algorithmen zur Lokalisierung von Störungen zu entwickeln.

RoDAR hebt die HF-Störfestigkeit auf eine neue Stufe und macht Zwei-Antennen OEM7-Empfängerzum weltweit ersten GNSS-Empfänger mit integrierter HF-Störungsunterdrückung, ohne dass zusätzliche Hardware benötigt wird.

„Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass RoDAR die beste und leistungsfähigste Anti-Jamming- und Anti-Spoofing-Lösung für nicht-militärische Anwendungen sein dürfte“, so Neil Gerein, Senior Director of Marketing bei Hexagons Autonomy & Positioning Division.

Der OEM7-Empfänger bietet seit jeher viele weitere fortschrittliche Funktionen wie Real Time Kinematic (RTK) und Precise Point Positioning (PPP), SPAN GNSS+INS-Technologie, ALIGN-Firmware und mehr. Ab sofort können Anwender OEM7Empfänger noch leistungsfähiger machen als je zuvor.

Wie funktioniert das?

Der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit von RoDAR liegt in der Verwendung von zwei Antennen, die eine Signalverarbeitung im räumlichen Bereich ermöglichen.

Die Antennen müssen in einem Abstand von nur 10 cm voneinander aufgestellt werden. RoDAR nutzt die beiden Antennen, um Interferenz-/Störquellen zu identifizieren und die Widerstandsfähigkeit gegen Stör- und Spoofing-Versuche zu erhöhen.

GAJT, Spoofing Detection, ITK und Time-Tagged Samples verarbeiten GNSS-Signale im Zeit- und Frequenzbereich.

Der räumliche Anti-Jam Schutz von RoDAR erkennt nicht nur alle Arten von Interferenzen, sondern unterdrückt diese auch.

Wenn analoge Signale digitalisiert werden, können wir das Signal auf unterschiedliche Weise darstellen.

Abbildung 1 zeigt zum Beispiel Signale im Zeitbereich und die entsprechenden Signale im Frequenzbereich. Im Frequenzbereich erscheinen schmalbandige Interferenzen als Spikes oder schmale Rechtecke mit hoher Leistungsstärke.

Abbildung 1 © NovAtel

Durch die Verwendung digitaler Filter der ITK-Funktionen von GRIT können wir schmalbandige Störungen beheben. Wenn die Störung breitbandig ist und wir versuchen, sie mit einem breiten Filter zu beheben, wird auch ein Großteil des GNSS-Signals unterdrückt und wir können die Satelliten nicht mehr empfangen und nutzen.
Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2 © NovAtel

Die Signalverarbeitung im räumlichen Bereich erweitert jedoch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schmalband- und Breitbandstörungen mit Hilfe einer Zwei-Antennen-Anordnung und der MPDR-Beam Forming Methode (Minimum Power Distortionless Response) . Bei mehr als einer Antenne kommt das Störsignal an jedem Antennenelement zu einem anderen Zeitpunkt und in einer anderen Phasenlage an. RoDAR kann nun damit beginnen die HF-Signale so zu verarbeiten, dass die Signalverstärkung der kombinierten Antennen in Richtung des Störsignals verändert wird.

Bei Störsignalen aus einer einzigen Quelle ist die Phasendifferenz zwischen den beiden Antennen für alle Störsignale gleich. Die echten GNSS-Signale haben dagegen unterschiedliche räumliche Phasendifferenzen.

Wenn eine Störung erkannt wird, werden die HF-Signale der beiden Antennen nach Abwärtskonvertierung und Digitalisierung an den Interferenz-Unterdrückungs-Algorithmus (null-steering) weitergeleitet.
Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3 © NovAtel

Die GNSS-Originalsignale werden nicht-konstruktiv aufsummiert, während die Spoofing- und Jamming-Signale konstruktiv summiert werden.

Anschließend wird das zweite Antennensignal einer Phasendrehung und Signalstärkenkompensation unterzogen und vom ersten Antennensignal abgezogen. Die resultierenden Werte werden nun angeglichen und miteinander kombiniert. Diese sind jetzt frei von Stör- und Spoofing-Signalen. Diese bereinigten Signale werden dann an das Tracking- und Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitlösungsmodul (PVT) weitergeleitet.
Siehe Abbildung 4.

Abbildung 4 © NovAtel

Neil Gerein:
“Aber warum ist der räumliche Bereich so wichtig?
Wenn ein Störsender auftaucht, kann man im Zeitbereich die Impulse ausblenden (Pulse-Blanking) und genau den Teil ausschalten, in dem der Übeltäter gestört hat. Im Frequenzbereich heißt es: ‚Oh, ich habe einen Störer, ich schalte also meinen Spektrum Analysator an, erstelle einen digitalen Filter und eliminiere diese Frequenz‘.

Im räumlichen Bereich ist es egal, was im Zeit- oder im Frequenzraum passiert. Man kann alles, was man im Zeit- und Frequenzbereich machen kann, auch räumlich machen. Das wird in Zukunft der Weg sein, wenn es um den Schutz vor Jamming-Attacken geht.

Die einzige Möglichkeit, Breitbandstörungen zu bekämpfen, ist die räumliche Verarbeitung: Sie verhindert, dass die Störsignale in das System eindringen kann. Die Bedrohung durch Breitbandstörungen kann nach den Gesetzen der Mathematik nur durch räumliche Verarbeitung abgewehrt werden.“

Um zu verstehen, wie die räumliche Verarbeitung zur Entstörung eingesetzt wird.
Siehe Abbildung 5.

Abbildung 5 © NovAtel

Der Einsatz von zwei Antennen ermöglicht die Durchführung einer Gewichtung, um festzustellen, ob eine Störung vorliegt. Bei der Verwendung von RoDAR ändert der Empfänger das Antennenverstärkungsmuster in diese Richtung.

Ein RoDAR-Nutzer muss sich nicht darum kümmern, die Art der GNSS-Störung zu charakterisieren, egal ob es sich um kontinuierliche Wellen, Impulse oder Chirp-Störungen handelt. Jemand, der sich auf die Signalverarbeitung im Zeit- oder Frequenzbereich verlässt, muss die Art der Störung kennen, um sie unterdrücken zu können. Ganz gleich, welche Methode der Störsender anwendet, mit RoDAR haben Sie Schutz und Störsicherheit, um die Interferenzen von Ihrem System fernzuhalten.

Kontinuierliche Maßnahmen ergreifen

Die RoDAR-Störungserkennung und -unterdrückung erfordert keine nachträgliche Datenanalyse, um festzustellen, ob das Signal manipuliert (Spoofing) oder gestört (Jamming) wurde oder nicht. RoDAR hat dabei stets ein Auge auf das Signal und überwacht dieses permanent, sodass der Nutzer einfach seine Arbeit machen kann.

„RoDAR gibt einen entsprechenden Hinweis, eine Warnung, dass eine Störung vorliegt, aber es arbeitet einfach weiter“, so Gerein. „Wenn es mich nicht warnen würde, wenn das kleine rote Licht nicht aufleuchten würde, wüsste ich das nicht einmal, denn ich würde nie meine Position verlieren. Wenn du nicht zufällig auf das rote Licht schaust, wärst du einfach nur glücklich, weil du immer noch deine Positions-Lösung bekommst.“

Es ist eine extrem einfache Lösung. Der Anwender muss sich keine Gedanken über Jamming/Störungen machen. Die Störungsunterdrückung findet automatisch, direkt im Empfänger statt.

„Jetzt noch ein paar Dinge zur vollständigen Transparenz“, fügte Gerein hinzu. „Bei jeder Anti-Störungslösung, ob RoDAR oder GAJT, kann es irgendwann passieren, dass man so nah an die Störquelle herankommt, dass die Störung so stark wird, dass die Anti-Jamming Lösung an Wirksamkeit verliert. Unseren Kunden erklären wir das so: Sie können sich Ihre Kopfhörer mit Rauschunterdrückung aufsetzen und auf ein Düsenflugzeug zugehen, aber irgendwann kommen Sie so nahe, dass Ihr Gehör dennoch zu Schaden kommt.

Mit jeder Störung ist es das Gleiche. Je näher Sie dem Störsender kommen, desto schlechter wird Ihre Entstörungs-Lösung.
Aber welche Alternativen haben Sie?
Mit RoDAR oder GAJT können Sie Ihre Einsätze viel länger fortsetzen oder an Orten durchführen, an denen dies vorher nicht möglich war, weil Sie jetzt über einen aktiven Störungsschutz verfügen.

Für uns ist es also wichtig, das rote Licht einzuschalten und zu sagen: ‚Ach übrigens, RoDAR ist aktiv‘. Denn je näher man dem Störsender kommt, desto eher könnte man sagen: ‚Weißt du was, es wird immer schlimmer. Ich sollte besser herausfinden, was zum Teufel hier los ist. Vielleicht stört mich jemand, weil er meine Drohne abschießen oder zum Absturz bringen will. Lass uns die Drohne schnell nach Hause fliegen, denn sie ist ein wertvolles Instrument. ‚“

Die Bedeutung von Schnelligkeit

„Um die Störsicherheit zu erreichen, die wir anstreben, müssen wir mit einer wirklich sehr hohen Geschwindigkeit arbeiten“, so Gerein.

„Und mit Hochgeschwindigkeit meine ich Megahertz, die Kern-Geschwindigkeit, mit welcher der OEM7 die Signalverarbeitung durchführt. Das ist der Punkt, an dem die Magie passiert. Das kann nur NovAtel, denn wir haben dies schon vor Jahren in unseren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), unseren MINOS7, für den OEM7 integriert. Und jetzt erwecken wir es zum Leben.

Wir haben diese Funktion schon vor langem eingebaut. Das ist es, was uns das Null-Steering zur Störunterdrückung ermöglicht, und zwar sehr, sehr schnell, mit ein bisschen Mathematik für Große.

Jetzt sind die Märkte bereit und die Technologie ist so weit, dass die Leute sagen können: ‚Oh, ich kann jetzt wirksames Anti-Jamming machen, ohne dass ich gleich das allerhöchste Leistungsniveau brauche wie bei einem GAJT-System.’“

Das GAJT-Portfolio wird weltweit eingesetzt, weil es sehr zuverlässig vor Störungen und Interferenzen schützt, unabhängig von der Umgebung und dem GNSS-Empfänger des Nutzers.

Die GAJT-Antennensysteme, die aus CRPAs und hochentwickelter Elektronik bestehen, verwenden mehrere Antennenelemente, um die Signalstärke zu regulieren, die aus einer bestimmten Richtung empfangen wird. Wenn GAJT eine Störung aus einer bestimmten Richtung feststellt, wird die Antennenverstärkung für diese Richtung verringert, ähnlich wie wenn man die Lautstärke herunterdreht. Dadurch wird die Intensität der empfangenen Störungen reduziert, so dass echte und genaue GNSS-Signale aus anderen Richtungen empfangen werden können. Siehe Abbildung 1.

„Was GAJT macht“, erklärt Gerein, „ist, das Signal zu sondieren, Störungen zu erkennen und zu sagen, dass die Störung aus dieser Richtung kommt, also werde ich die Antennenverstärkung in diese Richtung abschwächen.“

GAJT-Antennensysteme können mit jedem GNSS-Empfänger verwendet werden, d.h. sie sind GNSS-unabhängig. Sie können mit jedem GNSS-Empfänger kombiniert werden und diesen entstören. Jedoch bestimmt in der Regel das Gewicht von 7,5 kg sowie die Abmessungen von 29 x 12 cm die Art der Plattform, die die Vorteile von GAJT nutzen kann. Einige GAJT-Modelle sind auch auf die militärische Nutzung beschränkt, da sie der Exportkontrolle unterliegen.

RoDAR-Benutzer müssen nicht das zusätzliche SWaP und die Kosten für zusätzliche Hardware in ihre Systeme stecken; das ist es, was RoDAR wirklich leistungsstark macht. RoDAR ist ausschließlich auf OEM7-Empfänger verfügbar.

RoDAR bietet einen nominalen Schutz von bis zu 30 dB. Es unterliegt weder den ITAR- noch kanadischen Ausfuhrbestimmungen für exportbeschränkte Waren.

RoDAR – Regeneration nach einer Störung

Ein RoDAR-geschützter Empfänger erholt sich schneller von einem Störsignal als ein herkömmlicher Empfänger. Dies gilt selbst, wenn er von einem sehr starken und sehr nahen Störsender angegriffen und schließlich überwunden wurde.
Siehe Abbildung 6.

Abbildung 6 © NovAtel

„Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die Auswirkungen von zwei verschiedenen Arten von Störsignalen, Chirp- und Breitband-Störsignalen, auf die Ortungsfähigkeit eines RoDAR-aktivierten Empfängers (grüne Linien) und eines nicht RoDAR-fähigen OEM7-Empfängers (rosa Linien)“, so Kennedy.  „Bei diesem Test wird nur das L1-Band verwendet, sowohl für die Störung als auch für die Ortung, sagte sie. Die Störsenderleistung wird erhöht, bis der RoDAR-Empfänger seine Positionierungsfähigkeit verliert, und dann verringert, bis beide Empfänger ihre Position wiederherstellen können. Bei beiden Arten von Störsignalen ist der RoDAR-Ansatz zur räumlichen Unterdrückung sehr effektiv, da die Position sehr viel länger gehalten und sehr schnell wiederhergestellt werden kann, wenn das Störsignal nachlässt.

In einer Situation mit Breitband-Störsignalen kann RoDAR einen zusätzlichen Schutz von 27 dB gegenüber einem ungeschützten Empfänger bieten. Auch hier erfolgt die erneute Positionsbestimmung schneller.“

Siehe Abbildung 7.

Abbildung 7 © NovAtel

„Bei der Verwendung eines Breitband-Störsenders, dessen Leistungspegel in der blauen Linie dargestellt ist,“ kommentiert Kennedy, „untersuchen wir erneut die ausgewiesenen Positionsstandardabweichung bei beiden Empfängern. Wieder kann der RoDAR-Empfänger, bei einem viel höheren Störungspegel als die ungeschützten Empfänger, eine hohe Positionsbestimmungsgüte einhalten. Zudem erholt er sich nach dem Ausschalten des Störsignals viel schneller.“

Eine leistungsstarke Lösung

Sobald die RoDAR-Firmware verfügbar ist, kann sie durch ein Firmware-Upgrade auf NovAtel Zwei-Antennen OEM7 Receivern installiert werden. Der Anwender erhält mit dem RoDAR System, die derzeit wohl kleinstmögliche Anti-Jamming All-In-One Hardware Lösung. RoDAR Systeme haben zudem den geringsten Stromverbrauch und das niedrigste Gewicht aller NovAtel Anti-Jamming Systeme. Und das alles bei exzellenter Störsicherheit, die ein weites Feld von kommerziellen Anwendungen eröffnet.

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