Adaptives Anti-Jamming-Modul für GNSS-Empfänger: Design, Filter und CRPA-Nulling

Adaptive Anti-Jamming-Module kombinieren Kerbfilter, Antennenarrays und multipliziererfreie Filterarchitekturen, um GNSS-Störsender in Echtzeit zu unterdrücken. Der Beitrag erklärt ANF, CRPA-Nulling, Anti-Sättigung und die wichtigsten Leistungsparameter.

Was ist ein adaptives Anti-Jamming-Modul?

Ein adaptives Anti-Jamming-Modul ist im Grunde eine Signalverarbeitungseinheit, die im GNSS-Empfangspfad laufend prüft, ob Störsignale auftreten, und ihre eigenen Parameter entsprechend nachregelt, um diese Störungen zu unterdrücken. Die Signale, die beim Empfänger ankommen, sind extrem schwach: Sie liegen zwischen -160 dBm und -130 dBm, also etwa 30 dB unter dem Umgebungsrauschen, und das nach einer Reisestrecke von rund 20.000 km. Genau diese Schwäche macht sie anfällig für Continuous Wave Interference (CWI), Breitbandrauschen und Spoofing. Wie SafeGNSS am Beispiel der 4-Element-CRPA-Technik beschreibt, setzen moderne Module deshalb auf eine Kombination aus Signalverarbeitung, Hardwarefiltern und Antennendesign. Adaptive Algorithmen erkennen Störungen in Echtzeit, während kommerzielle Lösungen Frequenzfilterung, automatische Verstärkungsregelung und Inertialsensoren miteinander verbinden.

SBG Systems unterscheidet drei grundlegende Ansätze, um GNSS-Störungen zu begegnen: die Filterung und Tracking-Algorithmen im Frontend des Empfängers, die Kombination von INS und GNSS sowie die räumliche Verarbeitung mithilfe von Antennenarrays. Dabei zeigt sich, dass die reine Frontend-Filterung schnell an ihre Grenzen stößt, sobald breitbandiges Rauschen ins Spiel kommt. Die INS/GNSS-Integration kann dagegen kurze Aussetzer des Signals überbrücken, während die Antennenarray-Verarbeitung in Form von CRPA sozusagen die Königsklasse der Verteidigung darstellt. In der Praxis greift man meist zu einer Kombination dieser Verfahren: Je nach Störszenario wechselt das Modul dann zwischen Kerbfilterung, räumlichem Nulling und Frequenzdiversität hin und her.

Wie unterdrücken adaptive Kerbfilter Continuous Wave Interference?

Ein adaptives Kerbfilter – kurz ANF – arbeitet als kaskadierter Modulblock, der speziell auf Continuous Wave Interference ausgelegt ist. Dabei deckt jeder einzelne Modul genau eine CWI ab. Chien hat das 2013 in einer viel zitierten Arbeit beschrieben: Das ANF erkennt zunächst, ob überhaupt eine CWI vorliegt, und schätzt anschließend deren Leistung anhand des Statistikwerts und des internen Zustands des IIR-Filters. Darüber hinaus gleicht das Verfahren die Verzerrung des Korrelationspeaks aus, die in Narrowband-Interference-Szenarien typischerweise auftritt – so bleibt die Positionsbestimmung stabil.

Gerade die Kaskadierung macht den Unterschied: Wenn mehrere Schmalbandstörer gleichzeitig auftreten, hängt das System einfach mehrere ANF-Module hintereinander, und jedes davon kümmert sich um eine bestimmte Störfrequenz. Xu et al. haben 2025 in einer IOP-Publikation die adaptive Kerbfilterung als Frontend-Maßnahme gegen Störungen beschrieben. Praktisch heißt das: Der Empfänger wird nicht auf eine einzelne Frequenz hin optimiert, sondern auf ein ganzes Bündel von Störsignalen – und genau das ist bei absichtlichen Jammern ja der Normalfall.

Antennenarray-Verarbeitung und CRPA-Nulling

Ein Antennenarray plus ein adaptiver Verarbeitungsalgorithmus – das ist laut Wang (ACES Journal, November 2019) der Kern der räumlichen Anti-Jamming-Verarbeitung, wobei er dort ein Empfangsarray mit sieben Elementen beschreibt. Beim 4-Element-CRPA kommen vier voneinander unabhängige Elemente zum Einsatz; aus ihren Phasen- und Amplitudendifferenzen lässt sich die Einfallsrichtung ableiten. Das adaptive Beamforming berechnet dann für jedes Element ein komplexes Gewicht und bildet gezielt Auslöschungsnullen aus. Auf diese Weise funktioniert das Array wie ein räumlicher Filter, ohne dass an der Backend-Hardware des Empfängers etwas geändert werden müsste.

Die einzelnen Elemente sind als Quad-Feed aufgebaut, also mit einer orthogonalen Vierpunkt-Speisung, die für rechtshändige zirkulare Polarisation (RHCP) sorgt. Verglichen mit einem Quadratur-Hybrid hält diese Bauweise die Polarisationsreinheit über einen größeren Strahlwinkel hinweg stabiler. Abgedeckt werden dabei die Frequenzbänder GPS L1/L2, BeiDou B1/B2/B3, Galileo E1/E5a/E5b sowie GLONASS G1/G2. Leichtbauversionen bringen dabei weniger als 500 g auf die Waage.

Theoretisch sind bei vier räumlichen Freiheitsgraden bis zu drei unabhängige Nullen möglich – ein Freiheitsgrad muss jedoch reserviert bleiben, damit der Satellitengewinn nicht verloren geht. In der Praxis sieht es dann etwas anders aus: Die meisten gängigen Systeme arbeiten mit zwei bis drei gleichzeitigen Nullen und erreichen dabei eine Breitbandunterdrückung von über 40 dB. Wer zusätzlich auf Dualband setzt, kann die Nullen getrennt auf L1 und L2/L5 verteilen. Dadurch lassen sich insgesamt vier bis sechs Störer adressieren, also ein bis drei pro Band, wobei die Nulltiefen typischerweise zwischen 20 und 40 dB liegen.

Multipliziererfreie Implementierung und Rechenkomplexität

2024 haben Song et al. in Frontiers in Physics einen kaskadierten, multipliziererfreien Ansatz für die Zeitbereichs-Anti-Jamming-Verarbeitung in Navigationsempfängern vorgestellt. Kern des Verfahrens ist eine numerische Leistungszerlegung, die auf optimaler Canonical-Signed-Digit-Kodierung (CSD) sowie einer Koeffizientenzerlegung beruht. Auf diese Weise lassen sich Multiplizierer durch eine minimale Anzahl an Addierer- und Schiebeoperationen ersetzen – was den Ressourcenbedarf auf FPGA- oder ASIC-Plattformen spürbar reduziert.

Im Vergleich zur klassischen CSD-Kodierung kommt der Ansatz mit deutlich weniger Bauteilen aus: Bei einem Anti-Interferenz-Filter mit 12-Bit-Quantisierung spart er einen Addierer, 20 Schiebeoperationen und fünf Codewortlängen ein. Die Abweichung bei der Pseudorange-Messung bleibt dabei unter 0,27 ns, das Verfahren kostet also praktisch keine Genauigkeit. Was bedeutet das konkret? Ein Empfänger kann mehrere kaskadierte Filterstufen parallel betreiben, ohne dass Rechenlast oder Chipfläche im gleichen Maße mitwachsen. Gerade auf leistungsbegrenzten Plattformen ist das ein entscheidender Vorteil, denn die Anti-Jamming-Verarbeitung läuft dort permanent im Hintergrund und konkurriert mit allem anderen um dieselben Ressourcen.

Anti-Sättigung und Anti-Jamming im zweistufigen Design

Tan et al. beschrieben auf der CNCT 2016 in Xiamen (16. bis 18. Dezember 2016) ein zweistufiges Design mit zwei Anti-Sättigungsmodulen im RF-Frontend und einem Anti-Jamming-Modul im IF-Frontend auf Basis eines 4-Antennen-Arrays. Das Anti-Sättigungsmodul nutzt einen RF-Phasenschieber und einen Verstärker, um eine tiefe Null in Richtung einer starken Störung zu bilden. Das Anti-Jamming-Modul setzt blinde Space-Time Adaptive Processing (STAP) ein.

Das Experiment zeigte mindestens 21 dB Verbesserung bei der Anti-Sättigung und nahezu 60 dB Störunterdrückung. Diese Zweistufigkeit ist wichtig, weil starke Störer den Empfänger bereits vor der eigentlichen Signalverarbeitung sättigen können. Erst wenn das RF-Frontend geschützt ist, kann die adaptive Verarbeitung im Zwischenfrequenzbereich ihre volle Wirkung entfalten. In der Praxis kombinieren militärische und kommerzielle Systeme deshalb Frontend-Schutz mit nachgelagerter adaptiver Filterung.

Wichtige Leistungsparameter und Spezifikationen

Die Leistungsfähigkeit eines Anti-Jamming-Moduls lässt sich an wenigen Kennzahlen festmachen. Dazu gehören die Zahl der gleichzeitigen Nullen, die Nulltiefe, die Breitbandunterdrückung, die Frequenzabdeckung, das Gewicht und die verbleibende Messabweichung. Die folgende Übersicht fasst typische Werte zusammen, wie sie aus den genannten Quellen hervorgehen.

Ergänzend kommen Erkennungsalgorithmen wie zyklostationäre Analyse und Energieerkennung zum Einsatz. Frequenzdiversität erlaubt es Dual- oder Multifrequenzempfängern, auf nicht betroffene Bänder wie L1, L2 oder L5 auszuweichen. Signalauthentifizierung und Verschlüsselung schützen vor Spoofing, während militärische Nutzer auf GPS M-Code oder Galileo PRS zurückgreifen.

Produkte und Systeme am Markt

Septentrio AIM+ bietet GNSS-Anti-Jamming-Schutz mit Echtzeit-Interferenzüberwachung und -minderung. Das IAI ADA Anti Jamming System härtet militärische Plattformen gegen GNSS-Jamming. Motionew liefert mit dem Modell TX2501-AJS-4CH-DPA einen Anti-Jamming-GNSS-Dualfrequenz-Terminal mit dualem Anti-Jamming-Design und 4-Kanal-Architektur als digitale Phased-Array-Lösung. BenTech setzt bei seiner Anti-Jamming-Antennenlösung auf CRPA-Technologie.

Diese Produkte zeigen, dass sich der Markt in zwei Segmente teilt: hochintegrierte Empfänger mit eingebauter Interferenzminderung und spezialisierte Antennen- oder Terminal-Lösungen für militärische und anspruchsvolle zivile Anwendungen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie mehrere der zuvor beschriebenen Verfahren kombinieren, um Robustheit gegen unterschiedliche Störszenarien zu erreichen.

Wie wirkt sich Anti-Jamming auf die Positionsgenauigkeit aus?

Anti-Jamming-Verarbeitung darf die eigentliche Positionsbestimmung nicht verschlechtern. Die multipliziererfreie Filterimplementierung von Song et al. hält die Pseudorange-Abweichung unter 0,27 ns, was für präzise Navigationsanwendungen entscheidend ist. Das ANF-Verfahren kompensiert zudem die Verzerrung des Korrelationspeaks in Narrowband-Szenarien, sodass die Code- und Trägerverfolgung stabil bleibt.

In der Praxis bedeutet das: Ein gut ausgelegtes Modul unterdrückt Störungen, ohne die Satellitensignale unnötig zu dämpfen. Der verbleibende Freiheitsgrad im CRPA-Array und die sorgfältige Koeffizientenwahl in den Filtern sichern diesen Kompromiss zwischen Störunterdrückung und Signalqualität.

Welche Rolle spielen Frequenzdiversität und Signalauthentifizierung?

Frequenzdiversität ist eine der einfachsten Gegenmaßnahmen: Dual- oder Multifrequenzempfänger wechseln auf nicht betroffene Bänder wie L1, L2 oder L5, wenn ein Band gestört wird. Signalauthentifizierung und Verschlüsselung verhindern dagegen Spoofing, also das Einspeisen gefälschter Signale. Militärische Nutzer setzen hierfür auf GPS M-Code oder Galileo PRS.

Diese Maßnahmen ergänzen die Filter- und Array-Verarbeitung, ersetzen sie aber nicht. Ein gestörtes Band bleibt gestört, auch wenn ein anderes Band verfügbar ist. Deshalb kombinieren moderne Systeme Frequenzdiversität, Authentifizierung und adaptive Filterung zu einem mehrschichtigen Schutz.

Wie sollte ein adaptives Anti-Jamming-Modul ausgelegt werden?

Die Auslegung beginnt mit der Frage, welchen Störszenarien der Empfänger ausgesetzt ist. Gegen einzelne Schmalbandstörer reicht ein kaskadiertes ANF. Gegen Breitbandrauschen oder gerichtete Jammer ist ein CRPA-Array mit adaptivem Beamforming erforderlich. Gegen sehr starke Störer muss zusätzlich ein Anti-Sättigungsmodul im RF-Frontend vorgesehen werden.

Auf der Implementierungsseite lohnt sich der multipliziererfreie Ansatz, weil er Rechenressourcen spart und die Kaskadierung mehrerer Filterstufen ermöglicht. Die Wahl der Quantisierung, die Koeffizientenzerlegung und die Zahl der Array-Elemente bestimmen letztlich, wie viele Nullen gebildet werden können und wie tief diese sind. Eine frühzeitige Abstimmung von Antenne, Frontend und digitaler Verarbeitung vermeidet Kompromisse bei der Positionsgenauigkeit.

Welche Grenzen haben adaptive Anti-Jamming-Module?

Adaptive Verfahren stoßen an physikalische Grenzen. Ein 4-Element-CRPA kann theoretisch nur drei unabhängige Nullen bilden, und ein Freiheitsgrad muss für den Satellitengewinn reserviert bleiben. Bei mehreren gleichzeitigen Störern aus unterschiedlichen Richtungen wird die Zahl der verfügbaren Nullen schnell zum Engpass. Dualband-Designs erhöhen zwar die Gesamtzahl der adressierbaren Störer auf vier bis sechs, doch die Nulltiefe bleibt typischerweise auf 20 bis 40 dB begrenzt.

Hinzu kommt, dass Breitbandstörer schwieriger zu unterdrücken sind als Schmalbandstörer. Die Frontend-Filterung stößt hier an Grenzen, weshalb die Kombination mit INS/GNSS-Integration und Frequenzdiversität notwendig bleibt. Wer ein Modul auslegt, muss diese Grenzen kennen und die Erwartungen entsprechend setzen.

Welche Trends prägen die Entwicklung?

Die Entwicklung geht hin zu leichteren, integrierten und recheneffizienteren Modulen. CRPA-Designs unter 500 g zeigen, dass Anti-Jamming zunehmend auch für mobile und unbemannte Plattformen interessant wird. Gleichzeitig sinkt durch multipliziererfreie Filterarchitekturen der Ressourcenbedarf, sodass mehrere kaskadierte Stufen auf begrenzter Hardware realisierbar sind.

Ein weiterer Trend ist die Kombination mehrerer Schutzschichten: Frequenzdiversität, Signalauthentifizierung, INS/GNSS-Integration und adaptive Array-Verarbeitung greifen ineinander. Für Anwender bedeutet das, dass die Auswahl eines Anti-Jamming-Moduls nicht nur eine Frage der Nulltiefe ist, sondern des gesamten Systemdesigns.

Fazit

Adaptive Anti-Jamming-Module für GNSS-Empfänger sind ein mehrschichtiges System aus Kerbfiltern, Antennenarrays, Anti-Sättigung und effizienter digitaler Filterung. Die Quellen zeigen, dass kaskadierte ANF-Module einzelne CWIs unterdrücken, CRPA-Arrays räumliche Nullen bilden und multipliziererfreie Implementierungen die Rechenlast senken, ohne die Positionsgenauigkeit zu verschlechtern. Wer ein Modul auslegt, muss Störszenario, Array-Größe, Frequenzbänder und Implementierungsressourcen gemeinsam betrachten.

Häufig gestellte Fragen

Wie funktioniert ein adaptives Anti-Jamming-Modul?

Es erkennt Störungen in Echtzeit und passt seine Parameter an, um sie zu unterdrücken. Übliche Ansätze sind adaptive Kerbfilter gegen Continuous Wave Interference und die räumliche Antennenarray-Verarbeitung, die Nullen in Richtung der Störquellen lenkt und gleichzeitig den Satellitensignalgewinn erhält.

Was ist ein adaptives Kerbfilter im GNSS-Anti-Jamming?

Ein kaskadierter, CWI-fähiger ANF-Modulblock unterdrückt jeweils eine Continuous Wave Interference. Das ANF erkennt die CWI und schätzt ihre Leistung über den Statistikwert und den internen Zustand des IIR-Filters. Zusätzlich kompensiert es die Verzerrung des Korrelationspeaks in Narrowband-Szenarien, sodass die Positionsbestimmung stabil bleibt.

Wie viele Nullen kann ein 4-Element-CRPA bilden?

Bei vier räumlichen Freiheitsgraden liegt das theoretische Maximum bei drei unabhängigen Nullen, wobei ein Freiheitsgrad erhalten bleibt, um den Satellitengewinn zu sichern. Mainstream-4-Element-CRPA-Systeme unterstützen zwei bis drei gleichzeitige Nullen mit Breitbandunterdrückung über 40 dB.

Was ist eine multipliziererfreie Anti-Jamming-Filterimplementierung?

Sie ersetzt Multiplizierer durch Addierer und Schiebeoperationen, etwa mittels Canonical-Signed-Digit-Kodierung und Koeffizientenzerlegung. Der kaskadierte multipliziererfreie Ansatz reduziert die Komponenten eines 12-Bit-Filters und hält die Pseudorange-Abweichung unter 0,27 ns.