امروزه گیرنده­هایGPS  کاربردهای نظامی و غیرنظامی بسیاری دارند و در بسیاری از وسایل نقلیه و حتی دستگاه‌های تلفن همراه شاهد استفاده از آن‌ها هستیم. بهره‌گیری عمومی از این سرویس باعث افزایش سرعت فناوری‌های مرتبط با GPS شده است. قابلیت‌های منحصر به فرد این سیستم تعیین موقعیت و البته هزینه‌های کم استفاده از آن موجب شده است تا در بسیاری از تجهیزات اساسی زندگی انسان‌ها به عنوان یک عنصر اساسی نقش بازی کند. همین وابستگی زیاد زندگی بشر به GPS و آسیب‌پذیری زیاد آن موجب ایجاد نگرانی‌های زیادی شده است. از این­رو بررسی تهدیدهای احتمالی و رفع آن­ها از مهم­ترین چالش‌های محققان این فناوری است.

استفاده از گیرنده­های GPS در حوزه­های گوناگون نظامی و غیرنظامی موجب شده تا تحقیقات زیادی در زمینه­های انحصاری نمودن و سوءاستفاده از این سیستم در کشورهای مختلف انجام شود. ایجاد مانع در مسیر سیگنال GPS، اختلال[1] و فریب[2] سه نمونه از این تلاش­ها هستند.

از بین حملات ذکرشده در بند پیشین، فریب به دلیل پنهانی بودن ماهیتش، خطرناک­ترین حمله به شمار می­رود. سیگنال فریب امروزه از مهمترین تهدیدهای پیش­روی گیرنده­های GPS است که مشکلاتی در محاسبه GPS ایجاد می­کند. این سیگنال می­تواند برای منحرف کردن گیرنده­های دشمن و نیز ایجاد اختلال در آن­ها، به کار گرفته شود. بنابراین، تشخیص و مقابله با چنین سیگنالی، چه در دفاع و چه در حمله امری بسیار مهم است و در شرایطی می­تواند تهدید بزرگی برای امنیت عملیات جنگی باشد.

در ادامه این بخش به بررسی مفهوم جمینگ[3] (ایجاد اختلال الکترونیکی) در گیرنده‌های GPS خواهیم پرداخت. در انتها نیز محصول جدید شرکت راکول‌کالینز که برای مقابله با این پدیده ارائه شده است معرفی می‌شود.

فناوری جمینگ

سال­ها پیش در جریان جنگ سرد، کشورهای غربی و شوروی به خاطر دست‌یابی به فناوری جنگ الکترونیک موفقیت‌های زیادی را کسب کردند. جنگ الکترونیک یا جنگال (کوتاه‌شده جنگ الکترونیک) اصطلاحی نظامی و بیانگر کاربرد الکترونیک و امواج الکترومغناطیس در نبردها است که شامل ایجاد اختلال در ارتباطات رادیویی و شنود گفتگوهای دشمن می‌شود. استفاده از این فناوری به کشورهای مذکور این امکان را می‌داد تا علاوه بر شناسایی برنامه‌های نظامی دشمن، بتوانند با هزینه‌ای بسیار پایین در اجرای آن اختلال ایجاد کنند.

عدم کدگذاری صحیح اطلاعات و دانش کم نسبت به فناوری جمینگ و راهکارهای مقابله با آن در کشورهای دیگر باعث شد تا صاحبان این فناوری بتوانند اطلاعات محرمانه زیادی را از دشمن کسب کنند.

در آن زمان محققان کشور‌های ایالات متحده در حال توسعه و تست سیستم GPS و بررسی امکان استفاده از آن در برنامه‌های نظامی بودند. در حالی که دانشمندان سعی بر کاهش توان سیگنال ارسالی از ماهواره‌ها به سمت دستگاه‌های گیرنده زمینی را داشتند، انتقادهایی نسبت به این موضوع از سوی وزارت دفاع و سایر بخش‌های نظامی امریکا مطرح شد. منتقدان معتقد بودند که توان ارسالی بسیار پایین در این سیستم می‌تواند ضعف بزرگی باشد و زمینه را برای جنگ الکترونیک نسبت به آن فراهم کند.

سیستم اخلال‌گر (جَمِر)

همانطور که از قبل پیش‌بینی می‌شد، سامانه GPS خیلی زود تحت تاثیر جنگ الکترونیک قرار گرفت و سیستم‌های اخلال‌گر توانستند در عملکرد صحیح آن مشکلاتی ایجاد کنند. اخلال‌گر یا جمر به اصطلاح دستگاهی برای ایجاد پارازیت در سیگنال‌های الکترومغناطیسی است که منجر به اختلال یا قطع ارتباط مخابراتی شود. چنین سیستمی در بحث GPS می‌تواند باعث قطع شدن فرایند تعیین موقعیت توسط دستگاه گیرنده‌ شود. سیستم اخلال‌گر از طریق یک آنتن و با انتشار نویز سفید با توان بالا در محدوده فرکانس کاری GPS، منجر به حذف امواج موثر این سامانه می‌شود. در طی این فرایند دستگاه گیرنده GPS ارتباط خود را با ماهواره‌ها از دست می‌دهد. در اصطلاح تجاری به این دستگاه کور کننده آنتن یا مسدود کننده نیز گفته می­شود.

در سال‌های اخیر تولید و فروش دستگاه‌های اخلال‌گر GPS گسترش زیادی داشته و حتی شاهد کاربردهای غیر نظامی آن نیز بوده‌ایم. این دستگاه برای استفاده شخصی، داخل اتومبیل، منزل، دفتر کار یا هر مکانی که افراد تحت ردیابی قرار دارند، می‌تواند استفاده شود. ساخت چنین دستگاهی هزینه پایینی داشته و در بازارهای تجاری می‌توان به راحتی و با قیمت پایین آن را تهیه کرد.

در اوایل قرن 21 میلادی گزارش‌های بسیاری مبنی بر اختلال سیستم GPS در برخی از شهر‌های ایالات متحده دریافت شد. از این‌رو دولت امریکا بلافاصله با وضع قوانینی استفاده از چنین دستگاه‌‌هایی را برای شهروندان و البته بخش غیر نظامی این کشور ممنوع کرد. امروزه با وجود اینکه در بسیاری از کشورهای جهان استفاده از این دستگاه‌ها جرم محسوب می‌شود، اما همچنان می‌توان شاهد خرید و فروش آسان آن‌ها در بازار بود.

در سوی دیگر سیستم‌های نظامی قرار دارند که آن‌ها نیز در معرض تهدید دستگاه‌های اخلال‌گر هستند. بسیاری از هواپیماهای جنگنده، بمب افکن‌ها، ناوها و موشک‌ها برای تعیین موقعیت خود از سیستم‌ GPS استفاده می‌کنند. از این‌رو بهره‌مندی از قابلیت جمینگ و تکنیک‌های ضد جمینگ اولویت بسیاری از کشورهای جهان است.

جمینگ GPS

روش‌های جمینگ سیگنال‌های GPS موضوعی کاملا شفاف بوده و از کسی پنهان نیست. این روش‌ها از ساده‌ترین راه‌کارها برای ایجاد اختلال استفاده می‌کنند. دلیل اصلی این موضوع نیز در ارتباط با محدودیت اعمال تغییرات در اساس کارکرد این سامانه موقعیت‌یابی است. در واقع نحوه عملکرد GPS کاملا واضح و ساده بوده و از این‌رو در طی سال‌های گذشته تکنیک‌های جمینگ تقریبا مشابه بوده و تلاش زیادی برای بهبود این روش‌ها انجام نشده است.

موثرترین روش مقابله با ماهواره‌ها تکنیک جمینگ است. ایجاد تداخل در سیگنال ماهواره‌ها با وجود هزینه بسیار پایین، عملکرد بسیار خوبی دارد. نتایج شبیه‌سازى نشان می­دهد که براى ایجاد اختلال در سیستم­هاى ماهواره­اى باند باریک، نسبت سیگنال اخلال‌گر به سیگنال ماهواره (JSR[4]) می‌تواند حدود ۱ تا  db2 باشد. با این حال در سیستم­هاى ماهواره­اى طیف گسترده مانند GPS، به نرخ JSR بیشتری نیاز خواهد بود. بررسی‌ها در این زمینه نشان داده است که برای ایجاد اختلال در سیگنال GPS نیاز به سیگنالی با توان بالاتر از 20db از سیگنال ماهواره خواهد بود.

سیگنال ارسالی از سوی دستگاه اخلال‌گر می‌تواند به دو صورت سینوسی متناوب و پالسی باشد. انتشار یک سیگنال سینوسی متناوب ساده‌ترین عملکرد یک اخلال‌گر است و در آن تنها یک فرکانس تحت تاثیر قرار می‌گیرد. از این‌رو فرکانس تولیدی باید دقیقا در فرکانس سیگنال GPS تنظیم شده باشد. در این روش به دلیل انتشار مداوم سیگنال از سوی دستگاه اخلال‌گر، شناسایی و کشف منبع جمینگ آسان خواهد بود.

در روش پالسی دستگاه اخلال‌گر در یک بازه زمانی کوتاه یک پالس با توان بالا را ارسال می‌کند. به دلیل ماهیت سیگنال پالسی، بازه بزرگی از باند فرکانسی تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. در واقع هر دو نوع اخلال‌گرهای یاد شده توان برابری را انتشار می‌دهند، اما با توجه به اینکه در روش پالسی تمام توان در یک بازه زمانی کوتاه ارسال می‌شود، تاثیر زیادی در گیرنده GPS خواهد داشت. از سوی دیگر به دلیل اینکه در روش پالسی دستگاه اخلال‌گر تنها در زمان کوتاهی فعال است، کشف آن نیز دشوارتر خواهد بود.

سیستم ضد جمینگ GPS

با روی کار آمدن فناوری GPS ناوبری دقیق و قوی برای بخش‌های نظامی در دسترس بود. اما همانطور که گفتیم، خیلی زود مشخص شد GPS که بر اساس ارتباطات ماهواره‌ای عمل می‌کند بسیار آسیب­پذیر است. بنابراین این نگرانی وجود داشت که در جریان جنگ اگر دشمن در مورد استفاده جنگ‌افزارها از GPS اطلاعات داشته باشد، عملکرد آن در یک منطقه عملیاتی بی­فایده است. بنابراین نگرانی بسیار بزرگ این است که یک جنگ‌افزار که بیلیون‌ها دلار هزینه دارد به راحتی با اختلال کننده‌های ارزان قیمت مختل شود. از این‌رو روش‌های مقابله با جمینگ توجه بسیاری را به خود جلب کرده است تا این اطمینان حاصل شود که عملکرد عادی GPS در شرایطی همانند نبرد نظامی نیز برقرار باشد.

برخلاف موضوع تحقیقاتی ایجاد اختلال در سیستم GPS، موضوع جلوگیری و مقابله با آن در طی این سال‌ها پیشرفت زیادی داشته است. از همان ابتدا محققان روش‌های مختلفی را برای اطمینان از عملکرد صحیح GPS در مقابل جنگ الکترونیکی دشمن یا حتی اختلال‌های غیر عمدی ارائه کردند. با گذشت زمان روش‌های بسیار هوشمندانه‌ای در این زمینه مطرح و اجرایی شده است.

همانطور که مشخص است، جنگ در آینده بیشتر شبکه محور می­شود و در این بین ماهواره‌های سیستم تعیین موقعیت جهانی نقش حیاتی و مهم خواهند داشت. در واقع این سیستم به طور فزاینده­ای در بسیاری از ابزار­ها نقش کلیدی دارد و بسیاری از تسلیحات برای هدایت به این سیستم تکیه می­کنند. تهدیدات واقعی و جدی چه بصورت عمدی یا اتفاقی در جریان هستند تا بنوعی مانع انجام کار سیستم شوند. شرکت­های مختلفی با ارائه فن‌آوری­های منحصر به فرد خود موفق شده­اند تا پاسخی به این گونه تهدیدات بدهند. اکنون خانواده­ای از ابزار ضد جمینگ تولید شده که از راه­حل­های بسیار موثر دیجیتالی استفاده کرده و از هرنوع پلتفرم که متکی بر GPS است پشتیبانی می­کنند. این سیستم­ها انعطاف‌پذیر، مقیاس‌پذیر با کارایی بالا و قابل اعتماد طراحی شده که می­تواند به سرعت با الزامات هر یک از پلتفرم­های تولید شده سازگار شود. یکی از این شرکت­های پیشتاز در صنایع هوایی شرکت راکول کالینز است.

گیرنده دیجیتالی GPS با قابلیت ضد جمینگ راکول­کالینز

شرکت راکول کالینز اخیرا نسل جدیدی از گیرنده‌های GPS دیجیتالی ضد جمینگ خود را که تحت عنوان DIGAR[5] شناخته می‌شوند، عرضه کرده است. طبق بیان مسئولین این شرکت محصول جدید توانایی مقابله با روش‌های مختلف جمینگ و حتی فریب GPS را دارد. همچنین بر اساس اظهارات مدیر این پروژه سیستم مذکور تا 10 هزار برابر نسبت به نسخه‌های اولیه در مقابل حملات جنگ الکترونیک مقاوم‌تر است. اخیرا نیز وزارت دفاع ایالات متحده عنوان کرده که طی یک قرارداد همکاری قرار است از محصول جدید راکول‌کالینز در انواع هواپیماهای جنگنده نسل پنجم و کاربردهای دریایی خود استفاده کند.

گیرنده‌های GPS دیجیتالی ضد جمینگ DIGAR-200

گیرنده‌ GPS دیجیتالی ضد جمینگ DIGAR-200

فناوری DIGAR روی یک معماری سیستم باز قرار می­گیرد و توانایی ارتقاء در انواع پلتفرم­های مختلف از جمله جنگنده، بالگرد، بمب افکن، هواپیما­های مسافربری و باری و همچنین سیستم­های هواپیما­های بدون سرنشین را دارد. طراحی این سیستم به گونه‌ای انجام شده که برای استفاده از آن در پلتفرم‌های فعلی نیاز به تغییرات چندانی نباشد.

در طراحی آخرین نسل DIGAR پیشرفته‌ترین آنتن‌های نظامی بکار گرفته شده است. این آنتن‌ها امکان دریافت 16 پرتو قابل تنظیم همزمان را برای سیستم فراهم می‌کنند. این قابلیت و همچنین فناوری‌های پیشرفته پردازش سیگنال باعث می‌شود گیرنده بتواند با مقایسه سیگنال‌های دریافتی از جهت‌های مختلف، امکان ایجاد تداخل از سوی دشمن را بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد.

در ادامه برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های این محصول جدید آورده شده است:

  • بهره‌مندی از پیشرفته‌ترین تکنیک‌های دیجیتالی جهت‌دهی پرتو آنتن
  • 16 پرتو همزمان برای افزایش ایمنی (قابل ارتقا به 24 پرتو)
  • نسبت قدرت سیگنال جمینگ به GPS تا 125db بیشتر
  • حفاظت همزمان سیگنال‌های L1/L2
  • پشتیبانی از الگوریتم‌های تشکیل پرتو STAP/SFAP
  • حجم و وزن کم (کمتر از 3 کیلو)
  • تشکیل دو عامل DIGAR-3xx (69 cubic inches) یا DIGAR-2xx (GAS-1 or ADAP)
  • سازگاری با GNSS
  • سازگار با شرایط محیطی سخت

راکول کالینز طی 10 سال گذشته بیش از 100 هزار سیستم ضد جمینگ برای سیستم­های نظامی، جنگی و هواپیماها ارائه کرده است. شبیه­سازی‌های انجام شده از سوی آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده و همچنین آزمایش­های واقعی نشان می‌دهند که نسل جدید DIGAR محصولی با سطح آمادگی بالا[6] (TRL) و مطمئن بوده و نسبت به سایر محصولات مشابه عملکرد بسیار بهتری دارد. پیش‌بینی می‌شود در طی 2 سال آینده بیش از 10 هزار نسخه از این محصول مورد استفاده قرار گیرد. طبق گفته مسئولین شرکت راکول‌کالینز، به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد این محصول و البته ابعاد و وزن کم آن می‌توان حدس زد بیشتر محل استفاده از آن در هواپیماهای بدون سرنشین باشد.

 

پانویس ها:

[1] noise

[2] spoofing

[3] Jamming

[4] Jamming-Signal Ratio

[5] Digital Global Positioning System (GPS) Anti-Jam Receiver (DIGAR)

[6] Technology Readiness Level