Adaptiv anti-jamming-moduldesign til GNSS-modtagere: ANF, CRPA og multiplikatorfri filtrering

Adaptive anti-jamming-moduler kombinerer båndstopfiltre, antennearrays og strømbesparende implementeringer for at beskytte GNSS-modtagere mod forstyrrelser. Her gennemgår jeg mekanismerne, CRPA-nulling, de vigtigste ydelsesparametre og hvordan multiplikatorfri filtre holder pseudoafstandsafvigelsen under 0,27 ns.

Hvad er en adaptiv anti-jamming-modul til GNSS?

En adaptiv anti-jamming-modul sidder et sted i GNSS-modtagerkæden og har én opgave: løbende at opdage forstyrrelser og justere sig selv, så de bliver undertrykt. Det lyder måske ligetil, men udfordringen er, at GNSS-signalerne ankommer utroligt svagt — typisk et sted mellem -160 dBm og -130 dBm efter at have rejst omkring 20.000 km gennem rummet. Det ligger cirka 30 dB under det omgivende støjgulv, og der skal altså ikke meget til, før modtageren drukner i støj. Både smalbåndet kontinuerlig bølgeinterferens (CWI) og bredbåndet støj kan gøre livet surt for den. Modulet kan være placeret i RF-fronten, i mellemfrekvensfronten eller som en selvstændig antenneenhed — men uanset hvor det sidder, er målet det samme: bevar satellitsignalets gain, mens forstyrrelsen fjernes.

I praksis er de fleste løsninger en kombination af signalbehandling, hardwarefiltre og selve antennedesignet. Det er sjældent én teknik, der løser hele problemet. Adaptive algoritmer identificerer forstyrrelsen i realtid, og ud fra det skiftes der mellem frekvensfiltrering, automatisk gainkontrol og rumlig nulstilling — alt efter hvilken type interferens der er tale om. Chien (2013) beskriver et anti-jamming-system, der er bygget op af kaskaderede, CWI-detekterbare adaptive notch-filter-moduler, hvor hvert enkelt modul tager sig af én CWI. Modulet registrerer, om der overhovedet er CWI til stede, og estimerer samtidig effekten via statistiske værdier og IIR-filterets interne tilstand. På den måde kompenseres der for forvrængning af korrelationspeaken i smalbåndede interferensscenarier.

Når man skal beskytte en GNSS-modtager mod forstyrrelser, er der tre hovedgreb, man typisk tyer til. Det første er filtrering og følgealgoritmer i selve modtagerfronten. Det andet er INS/GNSS-integration, hvor positionen holdes ved lige, selv hvis signalet forsvinder et kort øjeblik. Og det tredje er rumlig behandling med antennearrays – det er her, CRPA-teknikken kommer ind i billedet. Militære systemer har desuden mulighed for at bruge GPS M-Code eller Galileo PRS, mens civile modtagere ofte supplerer med signalautentificering og kryptering for at sikre sig mod spoofing.

En anden vigtig byggesten er frekvensdiversitet. Modtagere, der arbejder på to eller flere frekvenser, kan nemlig skifte over til bånd, der ikke er ramt, for eksempel L1, L2 og L5, hvis et bånd pludselig udsættes for kraftig forstyrrelse. Det erstatter på ingen måde den adaptive filtrering, men fungerer snarere som et nyttigt supplement. Sammen med cyclostationary analyse og energidetektion er man altså godt dækket ind med flere lag af beskyttelse.

Hvordan undertrykker adaptive notch-filtre kontinuerlig bølgeinterferens?

Det adaptive notch-filter (ANF) er nok den mest udbredte løsning, når det gælder smalbåndet kontinuerlig bølgeinterferens. Grunden er ret ligetil: filteret kan lægge et smalt stopbånd præcis dér, hvor forstyrrelsen sidder, i stedet for at fjerne hele frekvensbåndet. Chien (2013) beskriver, hvordan systemet bygges op som en kaskade af CWI-detekterbare ANF-moduler, hvor hvert enkelt modul tager sig af én CWI. Modulet registrerer CWI'ens tilstedeværelse og estimerer dens effekt ud fra en statistisk værdi og IIR-filterets interne tilstand. På den måde bliver det muligt at kompensere for den forvrængning af korrelationspeaken, som opstår i smalbåndede interferensscenarier.

Det smarte ved at bruge en kaskade er, at den er skalerbar. Dukker der pludselig flere samtidige CWI-kilder op, kan man bare tilføje flere moduler, så hvert modul tager sig af sin egen frekvens. Xu et al. (2025, IOP) beskriver noget tilsvarende – front-end adaptiv notch-filtrering – som en effektiv måde at dæmpe forstyrrelser tidligt i kæden, altså før de overhovedet når korrelatoren. Og fordi filtreringen foregår adaptivt, kan modtageren løbende følge en forstyrrelse, der skifter frekvens eller styrke undervejs.

Det er værd at bemærke, at ANF først og fremmest er stærk over for smalbåndet interferens. Når støjen derimod er bredbåndet, er man nødt til at tage andre mekanismer i brug – og det er her, antennearrays og spatial behandling kommer ind i billedet. I praksis ser jeg ofte, at man kombinerer en ANF i front-end med CRPA-baseret nulstilling, netop for at kunne håndtere både smalbåndede og bredbåndede trusler.

En anden praktisk detalje handler om, at ANF-modulet ikke må komme til at fjerne selve GNSS-signalet. Derfor bruger det smalle stopbånd, og det tjekker løbende, om der overhovedet er en CWI til stede, inden filtreringen slår til. På den måde undgår man unødigt signaltab, samtidig med at pseudoafstandsmålingen forbliver stabil.

Antenne-array spatial behandling og CRPA-nulling

Rumlig behandling med antennearrays er nok den mest effektive måde at håndtere kraftig bredbåndsforstyrrelse på. Chain Wang (ACES Journal, november 2019) beskriver, hvordan space adaptiv anti-jamming-behandling typisk består af et antennearray kombineret med en adaptiv behandlingsalgoritme – for eksempel med et modtagearray på syv elementer. Et CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna) tager en lidt anden tilgang og bruger fire uafhængige elementer, hvor fase- og amplitudeforskellene mellem elementerne koder indfaldsretningen. Adaptive beamforming beregner en kompleks vægt for hvert element og danner annulleringsnuller, så arrayet i praksis fungerer som et spatialt filter uden at man behøver ændre modtagerens bag-end-hardware.

Elementdesignet spiller altså en helt afgørende rolle for, hvor godt et CRPA-system præsterer i sidste ende. SafeGNSS beskriver en fireelementers CRPA, hvor hvert element bruger quad-feed — altså en firepunkts ortogonal feed — for at opnå højrehåndet cirkulær polarisation (RHCP). Fordelen ved denne fremgangsmåde er, at polarisationsrenheden holder sig stabil over en bredere strålevinkel, end man typisk ser med en quadrature hybrid. Hvad angår frekvensdækningen, dækker den GPS L1/L2, BeiDou B1/B2/B3, Galileo E1/E5a/E5b og GLONASS G1/G2. Og fordi lette design kan holdes under 500 g, bliver det realistisk at integrere selve arrayet på mindre platforme, hvor vægt og plads er en knap ressource.

Hvor mange nuller man reelt kan danne, afhænger helt af arrayets frihedsgrader. Sidder der fire elementer, er det teoretiske loft tre uafhængige nuller, og man holder altså én frihedsgrad tilbage for stadig at kunne opretholde gain mod satellitterne. I praksis ser man typisk, at mainstream-systemer klarer 2-3 samtidige nuller med en bredbåndsdæmpning på over 40 dB. Vælger man i stedet et dobbeltbåndet design, bliver nullerne fordelt separat på L1 og L2/L5, og så kan det samlede antal håndterede forstyrrere faktisk løfte sig til 4-6, altså 1-3 pr. bånd, hvor nullybderne typisk ligger på 20-40 dB.

I RF-fronten kan man bruge anti-mætningsmoduler, der kombinerer faseskiftere og forstærkere, til at danne et dybt nul i retning af kraftig interferens. Tan et al. (CNCT 2016, Xiamen, Kina, 16.-18. december 2016) viste et system med to sådanne anti-mætningsmoduler i RF-fronten og et anti-jamming-modul i IF-fronten, bygget op omkring et array med fire antenner. Anti-jamming-modulet benyttede blind space time adaptive processing (STAP), og forsøget gav mindst 21 dB forbedring i anti-mætning og tæt på 60 dB dæmpning af interferensen.

Multiplikatorfri implementering og beregningskompleksitet

Beregningseffektivitet er en central udfordring i navigationmodtagere, hvor strømbudget og chipareal er begrænsede. Song et al. (2024, Frontiers in Physics) præsenterer en kaskaderet multiplikatorfri tilgang til tidsdomæne-anti-jamming i navigationsmodtagere. Metoden bygger på numerisk effektdekomponering baseret på optimal Canonical Signed Digit-kodning og koefficientdekomponering, hvor multiplikatorer erstattes af et minimalt antal addere og skifteoperationer.

Resultaterne er målbare. Sammenlignet med traditionel CSD reducerer tilgangen komponentbehovet for et 12-bit kvantiserings-anti-interferensfilter med én adderer, 20 skifteoperationer og fem kodede ordlængder, samtidig med at pseudoafstandsmåleafvigelsen holdes under 0,27 ns. Det er en væsentlig forbedring for embedded GNSS-hardware, hvor hver logikport tæller.

Tilgangen er særligt relevant for kaskaderede ANF-moduler, fordi hvert modul ellers ville kræve sine egne multiplikatorer. Ved at erstatte multiplikation med addition og skift bevarer man filtreringens nøjagtighed, men sænker strømforbruget og kompleksiteten. Det gør det mere realistisk at implementere flere kaskaderede moduler i en enkelt modtager.

For ingeniører, der vælger mellem traditionel CSD og den multiplikatorfri tilgang, er afvejningen primært mellem udviklingstid og hardwareomkostninger. Den multiplikatorfri metode kræver omhyggelig koefficientdekomponering, men giver til gengæld et smallere og billigere filter, hvilket er attraktivt i masseproducerede modtagere.

Anti-mætning og anti-jamming i to trin

En robust GNSS-modtager bør håndtere både mætning af front-end-forstærkere og selve forstyrrelsen. Tan et al. (CNCT 2016) viste en to-trins arkitektur med to anti-mætningsmoduler i RF-fronten og et anti-jamming-modul i IF-fronten baseret på et fireantenne-array. Anti-mætningsmodulet anvender RF-faseskifter og forstærker til at danne et dybt nul mod stærk interferens, mens anti-jamming-modulet bruger blind STAP.

Eksperimentet dokumenterede mindst 21 dB forbedring i anti-mætning og næsten 60 dB interferensdæmpning. Det illustrerer, hvorfor to-trins design er nødvendigt: Hvis front-end-forstærkeren først mættes, kan den efterfølgende digitale behandling ikke genskabe signalet. Anti-mætningen skal derfor ske tidligt, før signalet digitaliseres.

I praksis betyder det, at RF-fronten skal have tilstrækkelig dynamik og hurtig reaktion på stærke interferenskilder. Kombinationen af analog anti-mætning og digital adaptiv filtrering giver en dybere samlet dæmpning, end nogen af delene kan opnå alene.

For systemintegratorer er det værd at planlægge begge trin fra starten. Eftermontering af anti-mætning i en eksisterende RF-front er ofte dyrere og mindre effektiv end at designe den ind fra begyndelsen sammen med den adaptive filtrering.

Nøgleparametre og specifikationer for CRPA-antenner

Når man vælger en CRPA-løsning, er det de færreste parametre, der afgør ydeevnen i marken. Tabellen nedenfor opsummerer de vigtigste tekniske karakteristika for en fireelementers CRPA baseret på SafeGNSS' tekniske beskrivelse.

Tabellen viser, at fireelementers CRPA'er giver en god balance mellem ydeevne og vægt. Dobbeltbåndede design kan fordele nuller separat på L1 og L2/L5 og dermed håndtere 4-6 forstyrrere samlet, typisk 1-3 pr. bånd. Det er en vigtig overvejelse, hvis man opererer i miljøer med flere samtidige trusler.

Signalstyrken er en anden nøglefaktor. GNSS-signaler ankommer med -160 dBm til -130 dBm, omkring 30 dB under det omgivende støjgulv efter ca. 20.000 km rejse. Det stiller ekstreme krav til både følsomhed og dynamik i hele kæden, og forklarer, hvorfor selv små tab i filteret kan få stor betydning for positionsnøjagtigheden.

Kommercielle systemer og produktvalg

Flere leverandører tilbyder i dag færdige anti-jamming-løsninger, der kombinerer filtrering, beamforming og adaptiv algoritmebehandling. Septentrio AIM+ leverer GNSS anti-jamming-beskyttelse med realtidsovervågning og mitigering af interferens. IAI ADA Anti Jamming System hærder militære platforme mod GNSS-jamming. Motionew tilbyder anti-jamming GNSS dual frequency terminal model TX2501-AJS-4CH-DPA med dobbelt anti-jamming-design og 4-kanals digitalt phased array-arkitektur. BenTech leverer en anti-jamming-antenneløsning baseret på CRPA-teknologi.

Valget mellem disse afhænger af platformen. Militære køretøjer og fly har typisk behov for høj dynamik og dokumenteret ydeevne under ekstreme forhold, mens civile applikationer som landmåling og autonom navigation ofte vægter størrelse, vægt og strømforbrug højere.

Jeg anbefaler at starte med at kortlægge, hvilke forstyrrelsestyper der reelt er sandsynlige i det pågældende miljø. Er der primært smalbåndet CWI, kan et ANF-baseret front-end-filter være tilstrækkeligt. Er der tale om bredbåndet jamming eller flere samtidige kilder, er CRPA med spatial behandling nødvendig.

Endelig bør man verificere, at løsningen kan integreres uden at ændre modtagerens bag-end-hardware. CRPA'er fungerer som et spatialt filter og kræver derfor ikke ændringer i selve modtageren, hvilket gør dem attraktive for eftermontering.

Sådan vælger du den rigtige anti-jamming-arkitektur

Den rigtige arkitektur afhænger af trusselsbilledet, platformens begrænsninger og budgettet. En simpel smalbåndet trussel kan håndteres med et kaskaderet ANF-modul, mens bredbåndet jamming kræver antennearray-baseret spatial behandling. I mange tilfælde er den bedste løsning en kombination: ANF i front-end til smalbåndet interferens og CRPA til bredbåndet og retningsbestemt jamming.

Beregningskompleksiteten bør vurderes tidligt. Multiplikatorfri implementeringer med CSD-kodning kan reducere hardwareomkostningerne betydeligt, samtidig med at pseudoafstandsafvigelsen holdes under 0,27 ns. Det er særligt vigtigt i batteridrevne eller arealbegrænsede modtagere.

Endelig bør man teste løsningen under realistiske forhold. Teoretiske specifikationer som 40 dB bredbåndsdæmpning og 20-40 dB nullybde er nyttige pejlemærker, men den faktiske ydeevne afhænger af antenneplacering, kalibrering og signalbehandlingens kvalitet.

For de fleste professionelle applikationer vil en kombineret tilgang med anti-mætning i RF-fronten, adaptiv notch-filtrering og CRPA-baseret spatial behandling give den mest robuste beskyttelse mod både kendte og ukendte forstyrrelseskilder.

Ofte stillede spørgsmål om adaptiv GNSS anti-jamming

Hvordan fungerer en adaptiv anti-jamming-modul?

Den opdager forstyrrelser i realtid og tilpasser sine parametre for at undertrykke dem. Almindelige tilgange omfatter adaptive notch-filtre, der dæmper kontinuerlig bølgeinterferens, og antenne-array spatial behandling, der styrer nuller mod forstyrrelseskilder, mens satellitsignalets gain bevares.

Hvad er et adaptivt notch-filter i GNSS anti-jamming?

Et kaskaderet CWI-detekterbart adaptivt notch-filter-modul dæmper én kontinuerlig bølgeinterferens ad gangen. ANF'en opdager CWI'en og estimerer dens effekt ved hjælp af statistiske værdier og IIR-filterets interne tilstand, hvilket kompenserer for forvrængning af korrelationspeaken i smalbåndede scenarier.

Hvor mange nuller kan en fireelementers CRPA danne?

Med fire rumlige frihedsgrader er det teoretiske maksimum tre uafhængige nuller, hvor én frihedsgrad bibeholdes for at opretholde satellitgain. Mainstream fireelementers CRPA-systemer understøtter 2-3 samtidige nuller med bredbåndsdæmpning over 40 dB og nullybder typisk på 20-40 dB.

Hvad er en multiplikatorfri anti-jamming-filterimplementering?

Den erstatter multiplikatorer med addere og skifteoperationer ved hjælp af teknikker som Canonical Signed Digit-kodning og koefficientdekomponering. En kaskaderet multiplikatorfri tilgang reducerer komponentbehovet for et 12-bit kvantiseringsfilter med én adderer og 20 skifteoperationer, mens pseudoafstandsmåleafvigelsen holdes under 0,27 ns.