Немного про GPS
Текст Анатолия Сорокина
Иногда приходится объяснять своим знакомым, почему, несмотря на натовские средства РЭБ, наши «Герани» и ракеты всех мастей точно поражают вражеские цели и почему наши средства РЭБ не способны предотвратить точные попадания «Химарсов» и «Экскалибуров». А потому что против физических законов природы не попрёшь, если создатели систем спутникового наведения правильно реализуют не такие уж сложные принципиально методы обработки их сигналов (но весьма изощрённые и непростые в реализации).
Что можно сказать о некоем условном летательном аппарате-камикадзе, который для навигации использует сигналы GPS? В первую очередь то, что источники этого сигнала находятся в его верхней полусфере и какое-то, вполне достаточное для правильного полёта, их множество находится в некоем коническом сегменте верхней полусферы со значительным углом места. Всё остальное, излучающее на частотах около 1,0 и 1,5 ГГц, как на поверхности Земли, так и на небольших высотах, рассматриваем как злостные источники помех.
И вот от этого начинаем строить свою контригру. Первый фильтр, отделяющий зёрна от плевел, это приёмная антенна, причём весьма могучий по своим возможностям, да к тому же ещё и пассивный, электричества для своей работы не требующий. Ключевыми словами тут будет «диаграмма направленности антенны», поиск в том же «Яндексе» выдаст немало ссылок на книги (а иногда и их текст, причём даже википузия может сгодиться), в которых эта тема раскрыта надлежащим образом. Здесь же для простоты скажем, что в самом общем случае антенна хорошо принимает сигнал с каких-то направлений в пространстве и очень плохо с других; меняя её форму и устройство можно добиваться желаемых характеристик антенны в этом плане. Параболоиды антенн радиотелескопов и спутниковых «тарелок» тому самый наглядный пример. Для нашего летательного аппарата они не годятся, больно уж узконаправленные и громоздкие. Однако путём применения разработанного уже чуть ли не за столетие математического аппарата расчёта диаграмм направленности можно сконструировать такую антенну, которая будет хорошо принимать сигналы с сегмента верхней полусферы, где находятся спутники GPS, и плохо со всех других направлений, ослабляя действие помех в тысячи, а то и в десятки тысяч раз. Но полезный сигнал GPS S(t) слаб, а рэбовцы так и норовят помощнее помеху N(t) поставить, чтобы в нужном диапазоне частот отношение сигнал/шум S(t)/N(t) было как можно ближе к нулю. Тогда по фундаментальным свойствам теории информации ничего из их суммы S(t) + N(t) не выцепишь (антенна сама по себе служит сумматором всех приходящих на неё сигналов).
Итак, в случае всенаправленной (одинаково хорошо принимающей сигналы с любых направлений в пространстве) антенны на устройство-обработчик поступит сигнал
A(t) = S(t) + N(t), где N(t) >> S(t), где “>>” - много больше и отношение сигнал/шум практически 0, тухлый номер.
Но с антенной, которая рассчитана на приём сигналов из сегмента верхней полусферы, мы помеху существенно ослабим в m раз (коэффициент ослабления k = 1/m):
B(t) = S(t) + k*N(t), здесь k*N(t) > S(t) - уже просто больше и отношение сигнал/шум хоть и не 0, но в большинстве случаев меньше 1, толку пока ещё маловато, хотя шаг вперёд уже сделан. Если сильно повезёт (источник помехи далеко или не слишком мощный), то и за единичку перевалит, а тогда можно будет применять хитрые методы обработки сигналов, как правило, цифровые. Хотя таскать с собой на суицидальную миссию мощный вычислительный комплекс - идея так себе, да и как пел Владимир Семёнович Высоцкий: «а ну не зевай, ты здесь на везение не уповай…».
Но «трансформатор должен быть разрушен!» как требуют Сципионы и Катоны нашего времени, посему применим ещё одну стратагему. Совсем рядом (менее сантиметра) поставим другую антенну (или прямо вложим в первую с развязкой электрических цепей), которая имеет те же характеристики по приёму в нижней полусфере и по горизонту, но «режет» сигналы с верхней. Близость или вложение нужны обязательно, дабы сигнал «снизу» был одинаков в обеих антеннах, ибо длина волны для частоты 1,5 ГГц составляет 20 см. Разнесёшь их всего на 5 см и в самом нехорошем случае расположения антенн вдоль направления прихода сигнала-помехи получишь в одной антенне «густо» (гребень электрической компоненты радиоволны, т. е. максимум электрического поля), а в другой «пусто» (электрическое поле равно нулю). А это направление может быть абсолютно произвольным, заранее его учесть нельзя.
Посему рассчитать такую конфигурацию антенн с озвученными свойствами - дело сложное, но принципиально выполнимое и это надо сделать на этапе разработки системы наведения всего один раз. А когда эта работа сделана и достигнута одинаковость приёма сигналов «снизу» от обеих антенн, то:
C1(t) = S(t) + k * N(t) на первой антенне;
C2(t) = g*S(t) + k * N(t) на второй антенне, где коэффициент ослабления сигналов с верхней полусферы g << 1.
И на дешёвой компактной разностной интегральной аналоговой схеме (что для ГГц-диапазона ещё несколько десятков лет назад было мечтой) получаем:
C(t) = C1(t) - C2(t) = (1 - g) * S(t) ≈ S(t)
Можно из S(t) извлекать информацию о координатах аппарата. В реале, конечно, всё гораздо сложней, но нам тут важно было на примитивнейшем уровне показать возможность противодействия помехам путём пространственной селекции источников излучения, полезных и вредных, и обработки их сигналов, которая может делаться даже пассивными компонентами. Эта задача на практике уже давно решена. Ну а что делать рэбовцам в таком случае, достаточно очевидно, чтобы этот метод перестал работать. Но тогда и «своим» GPS испортишь - тоже не комильфо, однако.