Filtro adattivo per ricevitori GNSS anti-jamming: come funziona e specifiche chiave

I filtri adattivi nei ricevitori GNSS anti-jamming stimano in tempo reale la frequenza del disturbo e lo rimuovono dalla banda di navigazione. Questo articolo spiega il funzionamento di notch filter adattivi, STAP e array CRPA, con le specifiche chiave come elementi, nulli e rapporto J/S.

Che cos'è un filtro adattivo per ricevitori GNSS anti-jamming?

Un filtro adattivo per ricevitori GNSS anti-jamming è, in sostanza, un sottosistema che individua e sopprime i segnali di disturbo prima che arrivino al correlatore del ricevitore. A differenza di un filtro fisso, non si limita a tagliare sempre le stesse frequenze: stima in continuazione le caratteristiche del disturbo — frequenza istantanea, ampiezza e direzione di arrivo — e aggiorna di conseguenza i propri coefficienti. Qui sta il punto, perché il segnale GNSS che arriva a terra è debolissimo: i satelliti orbitano a circa 20.000 km di quota e il segnale è più debole perfino del rumore radio di fondo. Bastano pochi watt di disturbo per rendere il ricevitore cieco, ed è proprio la capacità di adattarsi in tempo reale a fare la differenza tra un ricevitore commerciale qualsiasi e uno anti-jamming.

Le architetture più comuni mettono insieme tre strategie diverse: il filtraggio nel dominio del tempo, l'elaborazione spazio-temporale adattiva (STAP) e le antenne a pattern di ricezione controllato (CRPA). Partiamo dal filtraggio nel dominio del tempo: è la soluzione più economica e anche la più diffusa quando si tratta di sopprimere disturbi a banda stretta su frequenze fisse. Lo STAP, invece, ci aggiunge il rifiuto spaziale, quindi riesce a gestire anche interferenze che arrivano da direzioni precise. Poi c'è il CRPA, che sfrutta più elementi disposti in una geometria accurata e confronta fase e ampiezza tra di essi per capire da dove arriva il disturbo: in questo modo crea dei nulli spaziali verso il jammer senza perdere sensibilità verso i satelliti. Il bello è che il beamformer si riconverge in pochi millisecondi, anche quando le sorgenti di interferenza si spostano, si accendono o si spengono.

Come funzionano i notch filter adattivi e lo STAP nella soppressione dei disturbi

Un filtro notch adattivo (ANF) stima di continuo la frequenza istantanea del segnale di disturbo e la elimina dinamicamente dalla banda GNSS. In pratica: se il jammer trasmette un'onda continua (CW) a frequenza costante, il notch si piazza esattamente lì; se invece il jammer usa una modulazione a dente di sega, cioè un chirp, il filtro deve inseguire la frequenza che cambia nel tempo. L'implementazione più semplice resta il filtro least-mean-squares (LMS), che riduce al minimo la potenza di uscita dell'array cercando però di non intaccare il guadagno verso i satelliti. Poi ci sono soluzioni più elaborate, come i filtri a innovazioni multiple, lo STAP e il compressed sensing.

Lo STAP non si limita a un solo dominio: respinge l'interferenza sia nello spazio sia nel tempo, ed è per questo che lo troviamo così spesso nei sistemi GPS anti-jamming. C'è poi la cancellazione dell'interferenza (IC), che punta a ricostruire il termine di disturbo per poi sottrarlo dalle osservazioni, seguendo la relazione y~[n] = y[n] - i^[n]. Quando invece il disturbo ha natura non lineare, entra in gioco il predittore adattivo non lineare (NAP): qui una rete neurale ricorrente pipeline (PRNN) lavora insieme a un filtro a linea di ritardo con prese (TDL), il tutto con apprendimento a discesa del gradiente e aggiornamento dei pesi tramite LMS normalizzato. Il risultato pratico? Si riesce a mantenere l'aggancio ai satelliti anche quando i disturbi sono complessi e cambiano continuamente.

Filtraggio nel dominio del tempo e STAP: quali compromessi?

La scelta tra filtraggio nel dominio del tempo e STAP non è mai banale: dipende dal tipo di minaccia che devi affrontare e, inevitabilmente, dal budget a disposizione. Il filtraggio nel dominio del tempo resta la soluzione più economica e diffusa quando si tratta di sopprimere jamming a banda stretta su frequenze fisse. Lo STAP, invece, aggiunge il rifiuto spaziale e riesce a gestire interferenze provenienti da direzioni specifiche, offrendo una soppressione multi-dominio decisamente più robusta. Vale la pena citare una simulazione pubblicata su MDPI Remote Sensing (Song, 2021, 14(1):48): un filtro adattivo nel dominio del tempo può soddisfare il requisito anti-jamming di 3 dB·Hz in simulazione e di 8 dB·Hz nella pratica.

Un'antenna a nullo fisso è pensata per annullare una o due direzioni già stabilite; un'antenna adattiva, invece, riesce a neutralizzare tante minacce simultanee quanti sono i gradi di libertà dell'array, e insegue anche quelle in movimento. C'è poi una differenza sostanziale nel modo di "guardare" il cielo: un'antenna standard lo vede tutto allo stesso modo, mentre una anti-jamming tende a scartare gli angoli di elevazione bassi — che è poi da dove arriva la maggior parte delle interferenze — e privilegia quelli alti. Il rovescio della medaglia è che si riducono i satelliti visibili, ma in cambio si guadagnano 20 dB o più di reiezione. Un aiuto concreto arriva dalla diversità di frequenza: il GNSS trasmette su più bande (L1, L2, L5 per il GPS), quindi un jammer che punta una sola frequenza potrebbe non toccare le altre, e un ricevitore dual o multi-frequenza può spostarsi su quelle non colpite. Infine, l'integrazione con l'INS copre la perdita di GNSS per minuti o addirittura ore, a seconda del grado dell'unità; a questo si aggiungono odometria visiva, altimetri barometrici e terrain contour matching, che contribuiscono a rendere il sistema più resiliente.

Specifiche chiave: elementi, nulli e rapporto J/S

Il rapporto jamming-to-signal (J/S) è probabilmente il dato del datasheet che conta di più. Per capirci: con 70 dB si riesce a gestire un jammer commerciale usato a corto raggio, mentre per far fronte a minacce di livello militare bisogna salire a 90-100 dB. Poi c'è la questione del numero di elementi dell'array, che non è affatto secondaria: un array a 4 elementi è in grado di annullare 3 jammer simultanei, uno a 7 elementi ne annulla 6, e con 16 elementi si arriva a 15. Dietro questi numeri ci sono i gradi di libertà dell'array, ed è proprio da lì che dipende quante minacce indipendenti si possono sopprimere nello stesso momento.

Un caso concreto che aiuta a capire di cosa stiamo parlando è la famiglia Safran 8230AJ/8231AJ: si tratta di un'antenna GNSS anti-jam per uso esterno, con un guadagno di 40 dB, un LNA a tre stadi, un filtro SAW nella sezione intermedia e un pre-filtro piuttosto stretto. Nella tabella qui sotto provo a mettere in fila le differenze più significative tra i due modelli.

Guardando i due modelli, entrambi garantiscono 20 dB o più di reiezione alle interferenze, con grado di protezione IP67 e connettore N-type femmina. Le differenze in altezza e peso, però, non sono casuali: riflettono quasi certamente configurazioni diverse dell'array e del filtraggio interno. Per chi deve progettare un sistema, la scelta ricade quindi su tre fattori concreti: il rapporto J/S richiesto, quante minacce simultanee bisogna gestire e quanto spazio c'è davvero sull'installazione.

Implementazioni senza moltiplicatori e a bassa complessità

Un'implementazione senza moltiplicatori sostituisce i moltiplicatori con una tabella di ricerca ROM, aritmetica distribuita, complemento a due, CORDIC, moltiplicazione a costanti multiple (MCM) e codifica Canonical Signed Digit (CSD). Queste tecniche riducono il consumo di risorse hardware, un fattore critico nei ricevitori embedded e nei sistemi a bordo di droni o veicoli.

Uno studio pubblicato su Frontiers in Physics il 3 luglio 2024 (doi 10.3389/fphy.2024.1404236) descrive un'implementazione a cascata senza moltiplicatori che, rispetto alla tecnica tradizionale CSD, riduce i componenti per un filtro anti-interferenza a 12 bit di quantizzazione: un adder in meno, 20 operazioni di shift e cinque lunghezze di parola codificate in meno, mantenendo la deviazione della misura di pseudo-range al di sotto di 0,27 ns. Questo tipo di ottimizzazione è rilevante per applicazioni in cui spazio, peso e potenza sono vincoli stringenti, come payload di droni o unità portatili per forze sul campo.

Filtraggio adattivo per il rilevamento dello spoofing e la reiezione RFI

Il filtraggio adattivo non serve solo a respingere il jamming, ma anche a rilevare lo spoofing. Un array di antenne adattivo fornisce informazioni sulla direzione di arrivo che costituiscono la base del rilevamento dello spoofing: uno spoofer che ritrasmette un segnale coerente simile al GNSS da un'unica direzione appare come una direzione di arrivo anomala, che il beamformer può segnalare. Questo è più robusto rispetto all'affidarsi solo alle anomalie di potenza del segnale.

Per quanto riguarda le interferenze radiofrequenza (RFI), le tecniche adattive gestiscono diverse categorie: rumore a banda larga, interferenza a banda stretta (L1/L2), sweep, prossimità, barrage, direzionale e reattiva. Il monitoraggio continuo della qualità del segnale e dei livelli di rumore, il rilevamento di picchi anomali di potenza o pattern spettrali, l'identificazione delle caratteristiche dell'interferenza e la soppressione adattiva sono le fasi funzionali tipiche di un sistema anti-jamming. L'obiettivo finale è preservare il tracciamento autentico del segnale GNSS. Prodotti come Septentrio AIM+, NovAtel ITK, infiniDome e SBG Systems implementano diverse combinazioni di queste tecniche, mentre GPS M-Code e Galileo PRS aggiungono livelli di autenticazione e crittografia per contrastare lo spoofing.

Rischi, conformità e limiti dell'anti-jamming GNSS

I dispositivi di jamming sono illegali nella maggior parte dei paesi, ma non in tutti, e sono facili ed economici da acquistare; jammer semplici possono interrompere i servizi su diversi chilometri. L'anti-jamming è una corsa agli armamenti tecnologica: i jammer usano frequenze a sweep, trasmissioni a burst e forme d'onda ingannevoli. Lo spoofing è una minaccia distinta, in cui segnali satellitari falsi ingannano i ricevitori; l'autenticazione e la crittografia del segnale aiutano a contrastarlo.

Le conseguenze della negazione del GNSS sono concrete: perdita della navigazione dei droni, missioni autonome fallite, deviazioni di rotta marittima, interruzioni di timing, ridotta accuratezza di puntamento, fallimenti nella sincronizzazione delle comunicazioni e preoccupazioni per la sicurezza dello spazio aereo. Per gli ingegneri di sistema, la scelta di un'architettura anti-jamming non è solo una questione di prestazioni, ma di conformità normativa, ridondanza e integrazione con sensori alternativi come INS, odometria visiva e altimetri barometrici.

Domande frequenti

Come fa un filtro adattivo a respingere il jamming GNSS?

I notch filter adattivi stimano continuamente la frequenza istantanea del segnale di disturbo e la filtrano dinamicamente fuori dalla banda GNSS. Lo STAP rifiuta l'interferenza sia nel dominio spaziale sia in quello temporale, mentre i beamformer ad array posizionano nulli verso le sorgenti di interferenza e preservano il guadagno verso i satelliti.

Qual è la differenza tra anti-jamming nel dominio del tempo e spazio-temporale?

Il filtraggio adattivo nel dominio del tempo sopprime l'interferenza a banda stretta a basso costo ed è comune in scenari con jamming su frequenze fisse. Lo STAP aggiunge il rifiuto spaziale, gestendo interferenze da direzioni specifiche, ed è ampiamente usato nei sistemi GPS anti-jamming per una soppressione multi-dominio più forte.

Quale rapporto J/S dovrebbe gestire un'antenna GNSS anti-jamming?

Il rapporto jamming-to-signal (J/S) è il numero chiave del datasheet. Un sistema a 70 dB J/S gestisce jammer commerciali a corto raggio, mentre sistemi a 90 dB o 100 dB affrontano minacce di grado militare. Anche il numero di elementi conta: un array a 4 elementi annulla 3 jammer simultanei, uno a 7 elementi ne annulla 6, uno a 16 elementi ne annulla 15.

Il filtraggio adattivo può aiutare anche a rilevare lo spoofing GNSS?

Sì. Un array di antenne adattivo fornisce informazioni sulla direzione di arrivo che costituiscono la base del rilevamento dello spoofing. Uno spoofer che ritrasmette un segnale coerente simile al GNSS da un'unica direzione appare come una direzione di arrivo anomala che il beamformer può segnalare, il che è più robusto rispetto all'affidarsi solo alle anomalie di potenza del segnale.