Evaluation des marges de brouillage GNSS et C2Link drones

Evaluation of GNSS and C2Link jamming margins

• Auteur / Autrice : Guillaume Novella
• Direction : Christophe Macabiau, Axel Javier Garcia Peña
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe de recherche en Télécommunications (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Laure Boucheret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Macabiau, Axel Javier Garcia Peña, Marie-Laure Boucheret, Dennis M. Akos, Pierre Ladoux, Catherine Ronflé-Nadaud, Christopher Hegarty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dennis M. Akos, Marco Luise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Aviation

Mots clés libres

GNSS

C2Link

RPAS

Aviation civile

Interference

Brouillage

C/N0

Chirp

PPD

GNSS

C2Link

RPAS

Civil aviation

Interference

Jamming

C/N0

Chirp

PPD

Résumé

Le brouillage est actuellement la technique envisagée par les forces de défense pour la défense anti-drone. Lors d’un brouillage anti-drone ou pendant un exercice de brouillage GNSS, des drones ou avion qui ne sont pas visés par le signal de brouillage peuvent être impactés et perdre les services GNSS et C2Link. Cependant, la distance à laquelle les objectifs de performances des récepteurs GNSS et C2Link sont susceptibles de ne pas être respectés à cause du signal de brouillage est actuellement surestimée. Cette surestimation cause des problèmes d’efficacité et économiques car les aéronefs peuvent être amenés à éviter la zone potentiellement impactée, allongeant ainsi la distance et le temps de vol.Par conséquent, une demande du prestataire de service de la navigation aérienne est d’améliorer la précision du calcul de la zone potentiellement impactée lors d’opérations de brouillage GNSS et C2Link. La réponse à cette problématique nécessite la caractérisation de la capacité des récepteurs GNSS et C2Link à respecter les objectifs de performance. Une caractérisation fine de l’environnement d’interférence rencontré par les récepteurs doit également être menée.Dans cette thèse, une nouvelle méthodologie du calcul de la zone potentiellement impactée pour les récepteurs GNSS aviation civile lors d’une opération de brouillage GNSS est proposée. Tout d’abord, la capacité du récepteur GNSS aviation civile à respecter les spécifications est analysée à partir du standard DO-235C, et complètement détaillé pour les récepteurs Galileo E1. Ensuite, l’impact de l’environnement nominal d’interférence sur les récepteurs GNSS est caractérisé en termes de bruit équivalent. Les sources d’interférences composant l’environnement nominal d’interférence dans la bande L1/E1 est défini dans le DO-235C. Pour certaines d’entre elles, le calcul du bruit équivalent a été ré-évalué pendant cette thèse dans le cadre de l’élaboration du DO-235C, sont détaillées ici. Enfin, l’impact d’un signal brouilleur sur la capacité d’un récepteur aviation civile à respecter les spécifications est calculé. Cette méthode est illustrée sur un scenario de brouillage fictif.La résistance des récepteurs C2Link face aux interférences est également étudiée. Cette analyse est menée en développant dans un premier temps les étages de synchronisation et démodulation d’un récepteur C2Link à partir des spécifications du DO-362. L’impact des interférences sur la capacité des récepteurs C2Link à respecter les spécifications est prédite dans un deuxième temps, en analysant la dégradation du taux d’erreur de démodulation causée par l’interférence.Dans la dernière décennie, le nombre de notifications de brouillage GNSS signalées par l’aviation civile est causés bar des brouilleurs civils illégaux (PPD) a fortement augmenté. Ces brouilleurs utilisent une forme d’onde caractéristique appelée chirp. Cette forme d’onde particulière se retrouve également dans les dispositifs de brouillage militaires utilisés lors d’exercices de brouillage. L’impact de ces signaux chirp sur la dégradation des performances des récepteurs GNSS, bien que largement observée dans la littérature, resté compliqué à prédire à cause de l’influence d’une multitude de paramètres. Un objectif de cette thèse est alors de prédire des signaux brouilleurs de type chirp sur plusieurs indicateurs GNSS : rapport puissance utile sur densité spectrale de puissance du bruit (C/N_0), mesures de code et de phase. Ce modèle de prédiction de la dégradation de ces indicateurs est discuté à partir d’observations et de simulations.

Jamming is the main tool which is currently considered by military authorities for defense against rogue drone purpose. During anti-drone jamming or during state GNSS jamming exercises, some non-targeted drones or aircraft may be hit by the jamming signal and loose the GNSS and C2Link services. However, the determination of the distance at which a GNSS and C2Link receiver performance objectives may not be met is currently widely over-estimated. An over-estimation may cause efficiency and economic problems as aircrafts may be requested to avoid the zone which is assumed to be impacted by the jamming signal, and such a request may increase the flight path. As a consequence, a request from the French ANSP (Air Navigation Service Provider) is to improve the precision of the calculation of the impacted area during C2Link and GNSS jamming operations. To provide an answer to this problematic requires the characterization of the capacity of GNSS and C2Link receivers to meet minimum performance objectives. Also, a precise characterization of the interference environment encountered by GNSS and C2Link victim receivers must be conducted. In this thesis, a new methodology to derive protection area for civil aviation GNSS during jamming operations is proposed. First, the capacity of the GNSS receiver to meet requirements is analyzed based on DO-235C and fully detailed for Galileo E1 receiver. Second, the impact of nominal RFI environment on GNSS receiver is characterized as an equivalent noise. RFI sources composing the nominal RFI environment are listed in DO-235C. Some of them, which have been reviewed during this PhD as part of the elaboration of DO-235C, are detailed in this thesis. Third, the impact of the jammer signal on the capacity of civil aviation GNSS receivers to respect requirements is computed. This methodology is illustrated with an example.The resiliency of C2Link receivers facing RFI is also investigated. This analysis first designs synchronization and demodulation modules. The impact of RFI on the C2Link receiver capacity to meet requirements is predicted in a second time, analyzing the BER degradation induced by the RFI.In last decade, the number of GNSS jamming events reported by civil aviation and caused by illegal civil jammers called portable privacy devices (PPD) has increased. These jammers often use a remarkable chirp waveform. This characteristic waveform is also the signature of modern jamming guns which are used for military jamming exercises. The impact of these chirp signals on GNSS receiver performance degradation, although widely observed in the literature, remains difficult to be predicted because of the influence of many parameters. One objective of this PhD is therefore to propose a characterization model of the impact of chirp jamming signal on several GNSS performance indicators: carrier to noise power spectral density ratio (C/N_0), code and phase measurements. This prediction model is further discussed based on simulation observations.