非衛星測位およびナビゲーションシステム

出所

「妻と議論するのは無意味です。ナビゲーターでさえ同意します。」
（メモから新婚夫婦へ）

この物語は今日も昨日も始まりませんでした。 そしてロシアではない。 彼らが言うように、実がなる時間を過ぎました。

少し前まで、ノヴォロシースク近くにあるアメリカ船の船長は、GPS全地球測位システムが間違った位置を設定していたことを発見し、船がゲレンジーク空港のバーベキューZhorik Vartanovにあることを示しました。 航海機器の操作に欠陥が見つからなかったため、船長は近隣の船に連絡し、すべての船がゾリックを「訪問」していることを発見しました。 そして今、ニューサイエンティストは「黒海での衛星航法に関する問題の報告は、ロシアが新しいスプーフィングシステムを経験しているかもしれないことを示唆している（データの歪みによる変装）」。 衛星システムの場合、スプーフィングは、衛星の動作をシミュレートし、加入者の受信機を誤解させる地上局からの偽の信号です。 さらに明らかに、「ロシアは新しい形の電子兵器を実験している。 昨年、GPSのなりすましは、モスクワ中心部のスマートフォンアプリケーションでの受信機の動作を混乱させました。 クレムリン周辺に集中しているように見える偽の信号は、近くにいるすべての人を「投げ」、ヴヌーコボ空港まで32kmです。 これはおそらく防衛目的で行われます。NATOの誘導爆弾、ミサイル、およびドローンの多くはGPSナビゲーションによって誘導され、スプーフィングが成功するとターゲットに到達できなくなります。 Zhorikはマーケティング目的でこれを行っており、仮想クライアントベースを拡大しているようです。

しかし、ジャーナリストがここで何か新しいものを「掘り起こし」たとしても、それは「クレムリン周辺の信号集中の技術」にすぎません。 そうでなければ、塔のルビー星がこれを助けます。 残りは新しいものではありません...

もう少し前戯

干渉の中でGPS信号を抑制するシステムのテストはすでに実行されており、この技術は十分に開発されて実用化されています。 たとえば、2013年に、テキサス大学の専門家の1人が、GPSスプーフィングが最新の機器を使用してヨットを導く方法を示しました。 誰かのウィンドウに何かを直接実行できると考えている場合、今日、起動するように命令したウィンドウに何かが突然飛んでも驚かないでください。

ただし、GPSの二重使用は、その開発の最初の段階で行われました。 米国のイラクとの戦争中、米国国防総省の当局者は、米軍は民間のG​​PS信号を地域的に抑制することができ、この機会を拒否するつもりはないと述べました。イラクの軍隊の能力。 2000年5月1日、ビルクリントン大統領が政令により、以前は米国軍および特別政府のサービスでのみ利用可能であった高精度GPS信号への世界中の民間ユーザーのアクセスが開始されました。 これまで、民間のGPS信号は、測位の精度を下げるために意図的に粗くされていました（約5倍）。 民間のGPS信号は、いわゆるC / A（粗/捕捉）コードを使用します。 軍隊はいわゆる 「高精度」コードp（正確なコード）。民生用よりも広い帯域で送信されます。 これにより、軍隊は機能し続けますが、市民信号に狭帯域干渉をかけることができます。 干渉マネージャーは、高地、高アンテナ、または専用機に配備できます。

アフガニスタンでの戦闘中にGPS信号の局所的な粗大化がすでに行われたため、GPS受信機で武装したタリバン軍は山を長く歩き回っています。 そして、イラクの出来事の間、漁師の船団全体がインド洋を1日以上さまよって家への道を探し、GPS受信機に驚嘆しました。 最近、韓国の漁船は、GPS信号が消える前に、ますます港に戻ってきています。 北朝鮮には責任があります。北朝鮮はおそらく信号を抑制しますが、これを認識していません。 2014年と2015年に、同様の問題が2つの港での米国沿岸警備隊の運用を中断したことも報告されましたが、管轄当局はどちらの港を指定しなかったのですか。

それはともかく、ここに軍隊が長い間知っていた別の種類の電子兵器があり、今ではジャーナリストも聞いた。 また、サブスクライバーレシーバー自体が「武器」として機能する場合もあります。 ただし、システム自体または干渉が原因であるとは限りません。 -かつてカナダのオンタリオ州出身の少女がほぼ死に、GPSナビゲーターの指示を信頼しました。GPSナビゲーターは、雨の中で夜に車を湖の向こうの希望の地点に送りました。 幸いなことに、少女は湖に飛び込んで、なんとかガラスを下げて外に出ました。

出所

コンセプトの変更

GPSと他のグローバルナビゲーション衛星システム（GNSSまたはGNSS）の両方は、開発の概念を変更し、わずかに異なる原理に基づいたシステムで安全を確保することを余儀なくされました。 そして、今日のこうしたアクセシビリティ、消費者向けのGNSSサービスの高精度および低コストには、干渉に対する脆弱性に直面する「裏返し」があります。 低電力GNSS信号（特に、GPSは地球の表面から2万kmの距離にあり、もちろんエネルギー制限がある衛星から信号を送信します）、信号のなりすましや意図的な干渉による外部攻撃のリスク、およびパフォーマンスの低下、増加一部の動作環境。

これにより、意思決定者やユーザーコミュニティの代表者は、代替PNTリソース（APNT-代替ポジショニング、ナビゲーション、タイミング）を検索する方向で、GPSパートナーに関する期待を再考する必要に至りました。 名前が示すように、正確な時間はまだそこにあり、今日もしばしばGNSSから取得されます。 一言で言えば、サイバー攻撃の脅威のために、海運業界は第二次世界大戦技術を支持してGPSを放棄しています。 しかし、世界貿易の90％は海上で行われ、航空輸送とは異なり、船舶にはバックアップナビゲーションシステムがありません。 さらに、忙しいシーレーンでは、座礁や他の船との衝突のリスクが高く、実際、最近、米国第7艦隊の船での一連の事件の例で観察することができました。

ところで、2004年に大統領指令は、PNTサービスの中断のない提供を保証するためのGPSのバックアップシステムの作成を承認しました。 これは、第二次世界大戦中に米国で開発された、ローラン（長距離航法）パルス位相航法システムに基づく近代化されたシステムです。 Enhanced e Loran（強化されたLoran）は、デジタル信号処理によって補完されます。 少し前、米国下院は、米国でのe Loranの創設を規定する法案を承認しました。

出所

当初、ロランシステムは、戦闘任務を解決する際の航空攻撃部隊と海軍の誘導支援を目的としていました。 このシステムの高い戦術的および技術的特性により、世界のほとんどの国の民間消費者が経済的および経済的問題を解決するために大量に使用することが事前に決定されました。 GNSSシステムとは異なり、Loranシステムは、地上のマストから信号を送信します。地上のマストでは、エネルギーのポテンシャルは無限です。

しかし、ロランは測位とナビゲーションの世界初のラジオ手段ではありません。

前に来たもの

航空の夜明けにはレーダーがありませんでしたので、航空機の乗組員は自分の位置を独自に決定し、ディスパッチャに報告しました。 乗組員は、集落、湖、川、丘によって視覚的に地面に誘導され、地図上でその場所を見つけました。 この方法では、地面との絶え間ない視覚的接触が必要でしたが、これは悪天候では単に存在せず、飛行の可能性を制限していました。

最初のナビゲーション支援は、特定の周波数で円形パターン（これらはモールス信号によって送信されるラテンアルファベットの2文字または3文字）で識別信号を送信する無線ビーコン（NDB-非指向性ビーコン）でした。 さて、航空機の受信機はそのようなビーコンへの方向を示します。 正確な位置を特定するには、少なくとも2つのビーコン（2つの方位角）が必要であり、航空機は灯台から灯台まで飛行し始めました。 そのため、雲の中や夜を含む、計器飛行用の最初の気道が登場しました。 確かに、座標を決定する精度はすぐに不十分になりました。 次に、ラジオエンジニアはVOR（超高周波数全方向性無線範囲）高周波全方向性ビーコンを作成しました。 VORは、3つのラテン文字のモールス符号で識別コードを送信します。

位置を決定するために2つの方位角を知る必要があるため、ビーコンが多すぎます。 この問題を解決するために、いわゆる距離測定装置DME（距離測定装置）が開発され、搭載された特別な受信機を使用してDMEからの距離を見つけることが可能になりました。 また、VORデバイスとDMEデバイスが同じポイントに配置されている場合、方位角とVORDMEシステムからの距離によって、位置を簡単に計算できます。

ただし、ビーコンをあらゆる場所に配置するには、必要な数が多すぎます。多くの場合、位置をより正確に決定する必要があります。 そのため、いわゆる「ポイント」（修正、交差点）が出現しました。これは常に、2つ以上の無線ビーコンからの方位角を知っていました。 つまり、航空機は現在、このポイントのちょうど上にあると簡単に判断できます。 今、気道はビーコンとポイントの間を通過し始めました。 VORDMEシステムの出現により、アジマスの交点だけでなく、VORDMEオブジェクトからの放射状および距離にもポイントを配置できるようになりました。 さて、航空機用に設計されたものはすべて、船舶にうまく使用できます。

出所

現代の航空機には、衛星ナビゲーションシステム、慣性計算システム、フライトコンピューターが搭載されており、その精度は、VORDMEまたはNDBのいずれにも接続されておらず、単に地理座標を持っているポイントを見つけるのに十分です。 その結果、現代のグローバル空域では、数時間続く飛行ルート上にVORまたはNDBビーコンを配置できません。 そして、これは常に良いとは限りません。

ロラン-c

GNSSの使用がリスクを取り始めたとき、代替物を作成するというトピックは、APNTコミュニティでの長い議論の源となりました。APNTコミュニティでは、いくつかの分野でまだ一般的な合意がなく、信頼性、整合性/信頼性、および正確性（同期またはポジショニング）が保証されています。 しかし、一般に、移動の一般的な方向はすでに明確であり、これはLoran-Cシステムのアップグレードです。

上記のロランシステムは、いくつかの開発段階を経ています。 特に、Loran-Cシステムは元々、前任者（Loran-Aシステム）よりも高いカバレッジと精度で米軍のナビゲーションサービスを軍ユーザーに提供するために設計されました。

Loran-Cは1957年に民間使用のために委託されました。 このシステムは、米国沿岸警備隊によって制御されている24の沿岸タワーからの無線信号を使用して、海上および空中に配置しました。 将来的には、民間艦隊が無線航法システムとして使用するために選ばれました。

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Loran-C Radionavigation System（RNS）（国内対応、「The Seagull」）は、地上の送信局が放射するパルス信号の放射モーメントと位相の同期を伴う差動範囲RNSを指します。 ステーションは、グループに対して同じ繰り返し周期で同じ周波数で信号を送信する3〜5ステーションのチェーンに配置されます。一部のステーションは、2つの繰り返し周期で2つの回路で同時に動作します。 各RNS回路は、同じで動作する1つのマスター局とスレーブ局で構成され、この回路のみが一連のパルスの繰り返し周期を割り当てました。

この繰り返し期間は、チェーンの特徴です。 ステーション信号には、1 msに続く一連の8パルスが含まれます。 マスター局はさらに9番目のパルスを発信します。 スレーブ局は、異なる遅延で信号を発信します-マスターの信号に対して特定の遅延があります。 放射遅延は、ペアの特徴です。

少なくとも2つの距離差を同時に測定するために、システムは、100 kHzの1つの搬送周波数とそれらの共通の繰り返し周波数で、マスター局とスレーブ局による信号の同期放出（パルスのバースト）の原理で動作します。 信号は、このような時間シフトを持つステーションによって放出されるため、システムのカバレッジエリア内の任意のポイントで信号の一時的な分離が保証されます。 この条件を満たすには、電離層からの多重反射によるこのパルスの遅延を考慮して、前の（順番に）スレーブ局の最後のパルスがこの局に到着した後に、いずれかのスレーブ局が信号の発信を開始する必要があります。 マスターステーションは、スレーブステーションの動作（パルスのエンベロープと高周波充填の両方）で信号と同期します。

陸上および海上でのロランCシステムの航続距離は、それぞれ1400-1800 kmおよび1800-2000 kmです。 送信局の放射電力は200〜1000 kWです。 信頼性-99.7％。 場所を特定する速度は10〜20セリフ/秒です。 回線内のステーションの同期エラーは30〜50 nsです。 位置決めの精度は、半径150〜200 kmで最大10〜50 mです。

一般に、25の米国ロランC局と4つのカナダ局の無線航法分野は、一度に9 629091平方メートルの面積で北米の領域をカバーしました。 km

何十年もの間、Loran-Cは、商業漁船、小型艦隊、その他の船舶、および多くの航空機の標準ナビゲーションシステムでした。 このシステムは、120〜150万人のユーザーによって使用されました。 ロランCチェーンの作業エリアも拡大し、アメリカとカナダの領土、北米大陸のほぼ全海岸、北大西洋、スカンジナビアと西ヨーロッパ、北海とノルウェー海、フランスの大西洋海岸と東大西洋、地中海、中央および北西地域をカバーしました。太平洋、アラビア半島全体、近東および極東の地域、紅海、ペルシャ湾、アデン湾、インド沿岸の一部。 ロランCチェーンの作業ゾーンの総面積は9500万平方メートルを超えました。 現在、北ヨーロッパの領土では、Loran-Cシステムのカバレッジエリアは送信局から100海里です。

忘れられた古い

GNSS GPSのコミッショニングと迅速な開発により、船員やパイロットがLoran-Cサービスから徐々に拒否されるようになりました。 さらに、GPS技術は急速に発展し、安価で手頃な価格になり、Loran-Cシステムは道徳的に古くなっています。 米国の国家安全保障の利益に基づいた数年間の議論の結果、Loran-Cシステムを近代化し、切断または機能不全の場合にGPSを補完する改善されたデジタルeLoranに置き換えることが必要であることが決定されました。 開発者によると、eLoranの信号はGPS信号の130万倍強力であり、もちろん減衰させることもできますが、そのためには、追跡しやすい大きなアンテナなどと組み合わせて、非常に大きな送信機電力が必要です。 バックアップ作業エリア、信号強度、および侵入をサポートすることに加えて、eLoranシステムは、GPSでサポートされていない条件で応答サービスおよび他のオペレーターを提供できます。 このシステムは、近代化された送信局と通信ネットワークを使用することになっていた。 システムの開発に1億6,000万米ドルが費やされましたが、2009年10月、沿岸警備隊は海上航行にロランCシステムは不要であると発表しました。これにより、米国国土安全保障省の裁量により、ロランとeロランの継続的な存在が米国に残りました。 2009年に、米国大統領は、Loran-Cシステムを保護してeLoranバックアップシステムを効果的に凍結する法案に署名し、米国沿岸警備隊は2010年2月8日にすべてのLoran-C信号の送信を停止し、ユーザーはGPSシステムの使用を勧められました。 しかし、2014年4月、米国下院は、米国沿岸警備隊が以前に防備されたLoran-C地上局設備の解体を禁止する法律を承認しました。

また、2015年3月26日に、米国議会は「2015年の国家測位、航法、および時間システムの干渉耐性および安全性の確保に関する法律」法案を導入しました。 （2015年の国家ポジショニング、ナビゲーションおよびタイミングの回復力とセキュリティ法）。 米国国防長官と沿岸警備隊司令官および運輸長官に、ロランの既存のインフラストラクチャを最大限に活用し、GPSの信頼できる予備として機能し、軍事として使用される地上ベースのナビゲーションおよび測位システムを展開する最終決定を行うことを要求することを提案しましたおよび民間の目的のため。 このシステムは、法案に記載されているように、ロランの既存のインフラストラクチャを最大限に活用する必要があります。

バックアップシステムは、それぞれ約1000マイルの範囲にある米国にある19台のeLoranマストの信号に基づいています。 GPSを維持する現在のコストと比較したバックアップシステムの資金調達は、数倍低くなります（GPSコストの数セント）。

出所

eLoranのナビゲーションおよび通信信号にはGPSを補完する機能があり、壊れにくくなっています。 さらに、空域における無人航空機の安全性を確保するための重要なコンポーネントになる可能性があります。

米国連邦無線航法計画は、国家政策の目標として、測位、航法、およびタイムサービスにおいて単一のシステムに依存しないことを規定しています。 計画では、この目標に向けた重要なステップとしてeLoranのテストを具体的に示しています。

他の国では代替GPSシステムの展開が行われています。 韓国海洋漁業省の代表者によると、2019年までにeLoranテスト用に3つのサイトを装備し、さらに先に進む予定です。 韓国政府は、ロシアと中国と協力するために、北東アジア全体でeLoranのカバーエリアをさらに拡大したいと考えています。 確かに、いくつかの問題がありました。 当局は、アンテナを展開する予定の島の住民からの抵抗にすでに直面しています。 実際には、132平方メートル以上の面積が必要でした。 マストの高さが120 mを超えるm。

イギリス・アイルランド灯台総局（GLA）は、戦略文書2020-The Vision（2020年までの展望）を発行しました。これは、ロランCシステムを近代化して、それをバックアップ海洋ナビゲーションシステムとして使用する必要があると結論付けています。 GNSS Royal Institute of Navigationは、ヨーロッパのLoran-CをeLoranシステムに変換するために維持および近代化する必要があるという信念を表明しています。

英国とアイルランドはこのシステムを最も積極的に使用しており、「近代化」されたeLoranの運用に成功しています。 テストにより、eLoranは時間座標特性の点でGPSに劣らず、船員が10 m（95％）未満の高精度で測位精度を提供し、港に接近する船舶の国際運用要件を満たすことが示されました。 同時に、北ヨーロッパのロランネットワークの将来は不透明です。なぜなら、フランスとノルウェーのeLoranステーションの移動が停止されると（もちろん、お金を節約するためのそのような計画があります）、英国の海域での海上航行のすべての可能性も失われるからです。

中国、韓国、日本は、ロランCの地上送信局の改善に引き続き取り組んでいます。 サウジアラビアとインドは、ロランCの近代化と自国でのeLoranのさらなる発展に大きな関心を示しています。 いくつかの報告によると、イランは独自の耐ノイズ性地上RNSの開発計画も持っています。 FERNS加盟国（ロシア、韓国、中国、日本）の相互作用により、統合された無線ナビゲーションサービスが作成され続けています。

未来についての議論

ただし、将来のAPNTについては継続的に議論されています。 たとえば、GNSSに障害が発生した場合にAPNTが機能することは明らかですが、APNTが動作する地域を選択するという点で、作業の期間とカバレッジの広さに関するコンセンサスはありません。 結局のところ、GNSSの妨害や信号のなりすましのいくつかの主要な事件が既にあり、PNTの使用は改善を続け、新しい脅威を生み出しています。 さらに、さまざまな利害関係者がAPNTのさまざまな期間について言及しています。 たとえば、2035年の多くの目標と脅威は、現在存在する、または2025年になるものとは異なる方法で定式化されます。 そして、有望なAPNTシステムの範囲は決してeLoranに限定されません。 さらに、既存のPNTまたはAPNTシステムインフラストラクチャの作成、委託、または変更にはかなりの時間がかかります。 消費者向けデバイス（受信機）またはソフトウェアの観点から見ると、APNT消費者向けナビゲーション機器（NAP）はGNSS NAPと類似しておらず、急速な売り上げの増加やソフトウェアの定期的な更新を当てにすることはできません。

しかし、将来、時には遠い未来を考えて計画し、必要なものについてコンセンサスを得ることが必要です。 たとえば、FAA（米国連邦航空局）の要件に従って、APNTは現在、約1海里の測位精度を提供する必要があります。 ただし、将来（2025年以降）0.3から0.5海里に精度を改善する必要があります。 専門家は、今日、マイクロ秒レベルでの時刻同期の精度は十分ですが、明日には100 nsがかかる可能性がある通信分野でも同様の問題が発生すると考えています。

加入者機器については、人々はすでにスマートフォンの絶え間ない更新に慣れているため、必要に応じて、PNTで問題が発生した場合に新しい技術を迅速に適用できます。 APNTは、GPS信号に干渉した場合に配偶者の花壇を奪う可能性のあるロボット芝刈り機などの消費者向けデバイスの開発さえも刺激できます。

出所

投稿者：
Alexander Golyshko、Technoserv Group of Systemsシステムアナリスト

素材に基づく：internavigation.ru、insidegnss.com、SecurityLab.ru、vestnik-glonass.ru、radioscanner.ru、airspot.ru、CNews.ru。

この記事は雑誌ラジオに掲載されました。