Autor: Evan Alexander, ingeniero sénior de marketing de productos de la unidad de negocio de sistemas de frecuencia y tiempo de Microchip Technology
El diseño de sistemas de sincronización resilientes es esencial en el mundo interconectado actual, donde la precisión en materia de posición, navegación y sincronización (PNT) respalda sectores críticos como la defensa, las telecomunicaciones y el transporte. Los titulares más destacados de la actualidad se centran en el aumento de los incidentes de interferencia y suplantación de GNSS, que afectan a las señales GNSS de las que dependen tantos sistemas para los servicios de PNT. Sin embargo, la resiliencia va más allá de la interferencia y la suplantación, ya que también aborda posibles adversidades como fallos de hardware de antenas o receptores, ciberataques, efectos de trayectos múltiples y eventos espaciales como tormentas solares o perturbaciones ionosféricas. Estos efectos pueden provocar costosas interrupciones del servicio e incluso incidentes peligrosos, como descarrilamientos de trenes por errores de navegación o fallos en las torres de telefonía móvil, lo que afecta a la respuesta de los servicios de emergencia. El aumento de los incidentes de interferencia y suplantación de GNSS y los posibles efectos devastadores de la pérdida de sincronización subrayan la importancia de diseñar sistemas de sincronización resilientes.
Niveles de resiliencia de la norma IEEE P-1952
Una guía emergente para el diseño de sistemas de sincronización resilientes es la norma IEEE P-1952, que clasifica cinco niveles de resiliencia para los equipos de usuario de PNT. Los arquitectos y diseñadores de sistemas deben utilizar estos niveles de resiliencia como puntos de referencia para el diseño de sus sistemas PNT. La idea es que no basta con seguir funcionando; más bien, un sistema debe evaluar de forma inteligente la integridad de sus fuentes de sincronización y adaptarse dinámicamente a las amenazas emergentes. Los cinco niveles son los siguientes:
Figura 1: Niveles de resiliencia de la norma IEEE P-1952
Comprensión de los osciladores controlados por GNSSO
Teniendo en cuenta los niveles de resiliencia de la norma P-1952, un punto de partida práctico para un sistema de sincronización resiliente es un módulo de oscilador controlado por GNSS (GNSSDO-GNSS Disciplined Oscillator), un sistema de sincronización ampliamente adoptado que puede funcionar como equipo de usuario (UE) autónomo o integrarse en un diseño de sistema más amplio. Un módulo de oscilador controlado o disciplinado por GNSS parte de la función de reloj y sincronización, que proviene del receptor GNSS, una referencia externa como un reloj atómico de cesio, o un oscilador local —a menudo un oscilador de cristal (OCXO o TCXO) o un reloj atómico integrado (por ejemplo, un reloj atómico a escala de chip, CSAC). El sistema funciona utilizando las señales GNSS recibidas de constelaciones como GPS o Galileo y extrae datos de sincronización para corregir la deriva inherente del oscilador local. El receptor GNSS o la referencia de frecuencia externa genera una señal de 1 pulso por segundo (PPS) que controla el oscilador local. Los módulos GNSSDO suelen emitir señales coherentes de 1 PPS y 10 MHz para su uso por parte de usuarios, sistemas y sensores posteriores. En la imagen siguiente se puede ver un diagrama de bloques de un GNSSDO típico:
Figura 2. Diagrama de bloques de un módulo GNSSDO estándar
En este diseño habitual, la sincronización depende principalmente de las señales GNSS recibidas; sin embargo, con el aumento de las interferencias y la suplantación de GNSS, los usuarios no pueden confiar en que estas señales estén siempre disponibles. Un método para lograr resiliencia durante la interrupción del GNSS es utilizar osciladores locales que tengan un buen comportamiento de espera («holdover»), lo que significa que el oscilador local puede mantener la sincronización en relación con la señal GNSS dentro de un cierto margen durante un periodo de tiempo especificado. Por lo general, los relojes atómicos permiten un mejor tiempo de mantenimiento que los osciladores de cristal, por lo que muchos diseñadores añaden relojes atómicos, como un CSAC o un reloj atómico en miniatura (MAC) de rubidio, a su sistema de sincronización. La calidad del reloj y la precisión requerida para su aplicación determinarán la duración del holdover que se puede lograr con estos relojes. Al evaluar un OCXO frente a un reloj atómico para su uso en un sistema de sincronización, los diseñadores deben considerar la relación entre potencia, coste, tamaño y rendimiento. Los OCXO ofrecen una excelente estabilidad a corto plazo y un buen rendimiento en cuanto a ruido de fase, lo cual es útil en aplicaciones donde la generación de una señal limpia es importante y el holdover temporal es aceptable.
Los relojes atómicos proporcionan estabilidad a largo plazo, lo que permite un holdover más prolongado y preciso durante las interrupciones del GNSS, pero pueden consumir más energía y ser más caros que los OCXO. La elección del oscilador local también determinará si un sistema cumple los niveles de resiliencia 2 y 3 de la norma P-1952.
Algoritmos de sincronización y holdover
Un concepto importante que hay que comprender es que un sistema que se limita a utilizar la señal de sincronización directamente del receptor GNSS no es un sistema de sincronización resiliente, sino simplemente una referencia de sincronización. Por el contrario, la sincronización resiliente debe basarse en la combinación de un reloj local, un algoritmo de sincronización y la señal de referencia; en el caso de los GNSSDO, la referencia es el GNSS. El algoritmo de sincronización debe observar continuamente el reloj local y la señal de referencia GNSS y modelar los estados de estas variables para comprender mejor la relación continua entre ambas. El algoritmo modelará el rendimiento esperado de la referencia GNSS de modo que, si la referencia deja de estar disponible, el sistema mantenga la sincronización con mayor precisión y durante más tiempo. Cuando la referencia GNSS vuelva a estar disponible, es probable que el sistema se encuentre más cerca en fase y frecuencia de la referencia GNSS y, por lo tanto, pueda volver a ella más rápidamente que si solo tuviera en cuenta las características del oscilador local, como el envejecimiento o la corrección. La capacidad de un sistema para recuperarse rápidamente de una amenaza o adversidad cumple el requisito P-1952 de nivel 2.
Detección de anomalías del GNSSD
Otro aspecto importante de la resiliencia de sincronización es la capacidad de detectar cuándo un receptor GNSS está siendo objeto de interferencia o suplantación. Esto puede hacerse de varias maneras, como examinar los datos observables que salen del receptor, incluyendo la relación señal-ruido (SNR), la fase de la portadora o las anomalías en el desfase temporal. Por ejemplo, una caída repentina de la SNR o un cambio inesperado en la fase de la portadora podrían indicar un posible bloqueo, mientras que un desfase temporal constante desalineado con el reloj local podría indicar suplantación. Una técnica de detección avanzada consiste en utilizar el reloj local como referencia de alta precisión. Al comparar la señal 1 PPS derivada del GNSS con el tiempo previsto del oscilador local, lo cual puede hacerse con una resolución de nanosegundos, el sistema puede señalar discrepancias que son difíciles de replicar con interferencias o suplantación a tal nivel de detalle. Este enfoque, respaldado por los algoritmos que modelan los estados del GNSS y del reloj local, constituye un potente detector de anomalías. Esta medida de resiliencia cumple los requisitos de nivel 1 y nivel 5 de la norma P-1952.
PNT alternativa (ALT PNT)
Dado que las vulnerabilidades del GNSS persisten, el ALT PNT representa una nueva frontera en la resiliencia de sincronización. Se están dedicando importantes recursos de investigación y capital al ámbito de las alternativas al GNSS, con las constelaciones de satélites de órbita terrestre baja (LEO) a la cabeza. Debido a su órbita baja, los satélites LEO proporcionan una potencia de señal mucho mayor en comparación con la constelación del GNSS, lo que dificulta el bloqueo o la suplantación, al tiempo que permite que la señal sea captada por una antena interior. Al considerar el uso de estas alternativas, es importante reconocer que estas constelaciones LEO tienden a tener un rendimiento de sincronización inferior al del GNSS, por lo que deben servir como ayuda para mejorar la capacidad de detectar interferencias y suplantaciones y actuar como recurso de respaldo cuando las señales del GNSS no están disponibles, en lugar de como fuente de referencia principal. La incorporación de ALT PNT a un sistema de sincronización añade otra capa más de resiliencia.
Otras tecnologías ALT PNT que se están investigando incluyen eLORAN, los satélites geoestacionarios y las señales de oportunidad, como la televisión y la radio FM. Es de conocimiento general que no existe una solución milagrosa en lo que respecta a ALT PNT; las tecnologías emergentes contribuirán al enfoque por capas para la resiliencia, y cada tecnología tendrá ventajas y desventajas únicas, al igual que el GNSS. La capacidad de recurrir a estos métodos alternativos durante las adversidades del GNSS proporciona nuevas formas de lograr la resiliencia.
La búsqueda de sistemas de sincronización resilientes es más crítica que nunca, ya que el espectro de RF se vuelve cada día más disputado, lo que amenaza la columna vertebral de las industrias que dependen del PNT. Al aprovechar osciladores locales de alto rendimiento con algoritmos avanzados de sincronización y mantenimiento de la sincronización, detección de anomalías del GNSS y diversas fuentes de referencia, los diseñadores pueden implementar sistemas que cumplan los niveles de protección descritos en la norma IEEE P-1952. Microchip Technology ofrece muchos de los productos y soluciones tecnológicas descritos en este artículo, incluidos sistemas con algoritmos de sincronización y mantenimiento de la sincronización, el software BlueSky™ y los módulos GNSSDO. Los fallos de sincronización no van a desaparecer, pero los sistemas equipados con los niveles adecuados de resiliencia pueden ayudar a prevenir desastres.
