Uydudan küresel konumlama sistemleri alıcıları için karıştırmaya dayanaklı ön-uç elektroniği ve anten tasarımı
Anti-jam RF front-end and antenna design for global navigation satellite system receivers
Yazar: OLCAY YİĞİT
Danışman: PROF. DR. KORKUT YEĞİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektromanyetik Alanlar ve Mikrodalga Tekn. Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Uydudan küresel konumlama sistemi(UKKS) birçok uygulamayı kapsamıştır ve birçok sistemin ayrılmaz parçası olmuştur. UKKS sinyalleri yeryüzünde çok zayıftır ve UKKS uygulama bandında gürültü seviyesinin altındadır. UKKS sinyalleri kasıtlı veya kasıtlı olmayan karıştırmaya karşı çok savunmasız olduğu için, UKKS'nin bu özelliği kullanıcı üzerinde büyük bir dezavantaj olarak kendini gösterir. Karıştırma UKKS servis hizmetinin kaybedilmesine ya da aldatmak olarak tabir edilen yanlış ya da hatalı konumlamaya neden olabilir. Karıştırma koşulları altında UKKS sinyallerinin kaybı, geçmişte ciddi sistem hatalarına neden olmuştur. Karıştırma etkilerini ortadan kaldırmak için, kompleks alıcı mimarilerden, ek uyduları ve frekans bantlarını modülasyon ve şifreleme teknikleriyle bir araya getiren uydu servislerinin yeniden tasarımına kadar uzanan ciddi araştırmalar yapılmıştır. 
Bu çalışmada, eski veya mevcut UKKS alıcısını değiştirmeden UKKS karışması için ön uç çözümleri öneriyoruz. Çoğu karıştırmaya karşı çözümler, alıcı tarafında,  mevcut alıcıları kullanışsız hale getiren önemli donanım ve / veya yazılım değişikliği gerektirir. Kullanıcı tarafındaki çoğu UKKS uygulaması karasal temellidir ve karıştırma sinyalinin düşük yatay açılarından kaynaklandığı varsayılabilir. Önerilen çözüm, antenin iki çalışma modu olan tek ve dizi antenini kullanarak geniş ışıma genişliğinden dar ışıma genişliğe elektronik olarak değiştirilmesiyle düşük yatay açı kaynaklı sinyallere karşı dayanıklılık sağlıyor. Bu modlar arasındaki seçim, RF ön ucunda elektronik olarak gerçekleştirilir. Bu çalışmada UKKS için karıştırmaya dayanıklı bir sistem geliştirilmiştir. İlk olarak, yeni sınıf antenler, tek bir beslemeyle ve kuplör kullanılmadan tüm UKKS bant genişliğini kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Olası sekiz anten tasarımı arasından biri bu uygulama için seçilmiştir ve saha testlerinde kullanılmıştır. Düşük gürültülü yükselticiler, filtreler, kuplörler, zayıflatıcılar ve sinyal algılama döngüsü içeren RF ön uç tasarımı, prototip haline getirilmiş ve test edilmiştir. Sinyal zarfının algılanması ve işlenmesi kısmen, sinyal gücünün ve elektronik anahtar kontrolünün daha hassas bir ölçümünü mümkün kılan bir mikro kontrolör yardımıyla gerçekleştirilmiştir. KKS için saha denemeleri dışarı taşınmıştır ve önerilen sistem, karıştırma koşulları altında üstün performans için doğrulanmıştır.

Abstract:
Global navigation satellite system (GNSS) covers wide range of applications, and has become an integral part of many systems. GNSS signals on earth are very weak, and are below noise floor in the GNSS application bandwidth. This feature of GNSS presents itself as a major drawback on the user as GNSS signals are vulnerable to intentional or unintentional jamming very easily. Jamming may result in loss of GNSS service or incorrect/false positioning, which is also called spoofing. The loss of GNSS signal under jamming conditions has resulted in serious system failures in the past. Considerable research has been devoted to circumvent jamming effects ranging from complex receiver architectures to redesign of satellite services that incorporate additional satellites and frequency bands coupled with multitude of modulation and encryption techniques.
In this study, we propose front-end solutions for GNSS jamming without changing the legacy or existing GNSS receiver. Most anti-jam solutions require substantial hardware and/or software change on the receiver side which renders them useless for existing receivers. Most GNSS applications on the user side are terrestrail based and jamming signal can be assumed to be originated from low-elevation angles. Proposed solution offers jamming resistance to low-elevation originated signals by electronically changing antenna from wide beamwidth to narrow beamwidth using single and array antenna as two modes of operation. The selection between these modes is accomplished electronically at the RF front-end. First ,a new-class of antennas has been designed to cover entire GNSS bandwidth with a single feed and without using a hybrid coupler. Among eight possible antenna designs, one of them is chosen for the intended application and utilized in field trials. RF front-end which consists of low-noise amplifiers, filters, couplers, attenuators, and signal-detection loop are designed, prototyped and tested. Signal envelope detection and processing are performed partly with the help of a microcontroller, which enables a more precise measurement of signal power and electronic switch control. Field trials for GPS have been carried out, and the proposed system has been verified for superior performance under jamming conditions.