Visokofrekvenčna elektronika v ekstremnem mrazu - meritve signalov GNSS na Antarktiki

High-Frequency Electronics in Extreme Cold: GNSS Signal Measurements in Antarctica


Luka Zmrzlak, Aljaž Blatnik
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko


POVZETEK
Neprekinjeno spremljanje signalov globalnih navigacijskih satelitskih sistemov (GNSS) v polarnih območjih je ključnega pomena za geofizikalne raziskave, varno pomorsko plovbo in raziskave ionosfere. Vendar pa namestitev merilne opreme na Antarktiki predstavlja resne inženirske izzive, predvsem zaradi ekstremno nizkih temperatur, ki ogrožajo delovanje standardne elektronike in visokih stroškov geodetskih sprejemnikov. Prispevek predstavlja zasnovo, validacijo in namestitev robustnega, nizkocenovnega sistema za beleženje podatkov GNSS, ki je sposoben zanesljivega delovanja pri izjemno nizkih temperaturah. Ključna inovacija je implementacija integriranega grelnega elementa v tiskanem vezju, ki izkorišča notranje bakrene povezave za vzdrževanje stabilnosti delovanja oscilatorjev in pomnilniških vmesnikov pri temperaturah do −80 °C. Sistem je bil nameščen na ledolomilcu Laura Bassi med 200-dnevno odpravo, kjer je zajel neprekinjen nabor surovih meritev v pasu L1 in spektralnih posnetkov med plovbo prek Atlantskega in Tihega oceana do Rosovega morja. Analiza zbranih podatkov razkriva prisotnost različnih vrst radiofrekvenčnih motenj, vključno z ozkopasovnim motenjem in širokopasovnim šumom, kar dokazuje zmožnost sistema za nadzor spektra v oddaljenih morskih okoljih.

ABSTRACT
Continuous monitoring of Global Navigation Satellite System (GNSS) signals in polar regions is critical for geophysical research, safe maritime navigation, and ionospheric studies. However, the deployment of instrumentation in Antarctica presents severe engineering challenges, primarily due to extremely low temperatures that compromise standard electronics, and the prohibitive cost of survey-grade receivers. This paper presents the design, validation, and deployment of a ruggedized, low-cost GNSS logging system capable of withstanding cryogenic conditions. A key innovation is the implementation of an integrated PCB heating element utilizing internal copper traces to maintain operational stability for oscillators and memory interfaces down to −80°C. The system was deployed aboard the icebreaker Laura Bassi for a 200-day expedition, capturing a continuous dataset of L1-band raw measurements and spectral snapshots across the Atlantic and Pacific Oceans to the Ross Sea. The analysis of the collected data reveals the presence of various radio-frequency interference types, including narrowband jamming and broadband noise, demonstrating the system's capability for spectrum surveillance in remote maritime environments.