Obecnie działają cztery systemy nawigacji satelitarnej o globalnym zasięgu. Są to: amerykański Global Positioning System (GPS), rosyjski GLONASS, chiński BeiDou i europejski Galileo. Każdy składa się z części kosmicznej w postaci konstelacji rozmieszczonych na orbicie okołoziemskiej satelitów, segmentu kontroli naziemnej, który odpowiada za ich nadzorowanie i rozwiązywanie problemów i odbiorników przetwarzających sygnały z systemu nawigacji. Systemy GNSS działają w trzech pasmach częstotliwości radiowej: L1 (1559‒1610 MHz), L2 (1215‒1254 MHz) oraz L5 (1164‒1214 MHz).
Satelity GNSS znajdują się na średniej orbicie okołoziemskiej (Mid-Earth Orbit, MEO), typowo na wysokości 20‒25 tys. km nad Ziemią. To zapewnia pokrycie o zasięgu globalnym, ale zarazem sygnały docierające do odbiorników naziemnych są bardzo słabe (−160 dBW), zazwyczaj poniżej poziomu nieuniknionych szumów komunikacyjnych. Wprawdzie dzięki specjalnym technikom przetwarzania sygnały z satelitów można wyizolować z szumów tła, ale ponieważ do odbiorników użytkowników docierają jako silnie stłumione, są również bardzo podatne na zakłócenia.
Każdy system GNSS składa się z 20‒30 satelitów. Zwykle odbiornik użytkownika znajduje się w zasięgu jednocześnie 6‒10 z danej konstelacji. Przez analogię do tradycyjnej nawigacji morskiej satelity można porównać do latarni morskich. Wszystkie nadają równocześnie. W zależności od odległości, jaka dzieli odbiornik użytkownika od każdego z nich, sygnały te docierają do niego w różnym czasie.
Jest on mierzony i przeliczany na odległość przez pomnożenie przez prędkość propagacji sygnału. Satelity transmitują także informację o swoim położeniu. Na podstawie ich pozycji i odległości od odbiornika oblicza się jego współrzędne. Oprócz tego nadajniki wszystkich satelitów w konstelacji są zsynchronizowane z dokładnością gwarantowaną przez ich pokładowe zegary atomowe. Dzięki temu wraz z sygnałem GNSS do odbiornika docierają precyzyjne dane czasowe, z dokładnością rzędu miliardowych części sekundy.
Zakłócenia sygnałów GNSS
Według raportu opracowanego przez European Union Agency for the Space Programme w 2021 roku na całym świecie zainstalowanych było 6,5 miliarda odbiorników GNSS. Do 2031 liczba ta ma przekroczyć 10,6 miliarda. Najwięcej z nich było wykorzystywanych w segmencie lotnictwa i dronów, który utrzyma pozycję lidera. Drugie i trzecie miejsce zajmowały odpowiednio żegluga i rolnictwo – na tych pozycjach w 2031 roku nastąpi przetasowanie. Ponieważ liczba urządzeń z odbiornikami nawigacji satelitarnej, a zatem i zależność od niej w różnych dziedzinach życia będą rosnąć, kluczowe jest zapewnienie nieprzerwanej dostępności sygnałów GNSS.
Ich zakłócenia są niestety nieuniknione. Mogą mieć przyczyny naturalne. Przykładem jest zjawisko scyntylacji jonosferycznych.
Sygnały GNSS pokonują większość odległości dzielącej satelity od powierzchni Ziemi w zasadzie bez przeszkód. Jednak na skutek zjawisk jak refrakcja i dyfrakcja nasilających się w jonosferze, na wysokościach od 50‒60 do 1000 kilometrów nad Ziemią, ulegają zniekształceniu. Jak sama nazwa wskazuje, ta warstwa atmosfery zawiera cząstki, które na skutek interakcji z wysokoenergetycznymi cząstkami ze Słońca uległy zjonizowaniu. Jeżeli rozkładają się równomiernie, ich wpływ na sygnały nawigacji satelitarnej jest do zaakceptowania.
Problem stanowią nieregularności w postaci lokalnych fluktuacji gęstości elektronów wywołanych zmianami aktywności Słońca, zdarzeniami geomagnetycznymi, a nawet niekorzystnymi warunkami pogodowymi, które występują w niższych warstwach atmosfery. W kontakcie z nimi zmienia się faza i amplituda sygnałów z satelitów. Skutkuje to spadkiem dokładności pozycjonowania, nawet o kilka metrów, a w skrajnych przypadkach całkowitą blokadą sygnałów GNSS.
Scyntylacje jonosferyczne występują najczęściej i są najintensywniejsze w regionie równika i, choć rzadziej, na biegunach. Podobnie jak inne zjawiska naturalne nie są jednak do końca przewidywalne, dlatego odnotowuje się je również na średnich szerokości geograficznych. Zależą przede wszystkim od aktywności Słońca, jak również pory dnia.
Zjawiskiem występującym naturalnie, wynikającym z właściwości kanału komunikacyjnego, jest też wielodrogowość. Polega na tym, że sygnał GNSS nie dociera z satelity prosto do odbiornika, ale ulega wielu odbiciom od przeszkód, które napotka na swojej drodze. Powoduje to błędy w pomiarze odległości i czasu.
Wpływ zjawisk naturalnych można modelować, a potem korygować w odbiorniku, stosując techniki przetwarzania sygnałów. Większy problem stanowią zakłócenia spowodowane przez człowieka, jak jamming i spoofing. By im zaradzić, oprócz obróbki sygnału konieczne jest zastosowanie rozwiązań sprzętowych.
Jamming
Jamming polega na zagłuszaniu sygnałów nawigacji satelitarnej w wyniku nałożenia się na nie sygnałów o dużej mocy przesyłanych równocześnie w danym paśmie częstotliwości. Skutkuje to zmniejszeniem dokładności pozycjonowania odbiornika, a nawet całkiem uniemożliwia ustalenie jego lokalizacji. Zakłócenia takie mogą mieć charakter nieumyślny albo być efektem zamierzonego działania, najczęściej w celu uniemożliwienia śledzenia, na przykład samolotu. Źródłem pierwszych są m.in. repeatery sygnału GNSS i pseudosatelity.
Repeatery to urządzenia, które odbierają, wzmacniają i retransmitują sygnały systemów nawigacji satelitarnej w celu zwiększenia ich zasięgu i zapewnienia go tam, gdzie sygnały GNSS są tłumione przez przeszkody naturalne i sztuczne, na przykład w budynkach (na lotniskach, w magazynach, centrach handlowych), tunelach czy parkingach podziemnych. Są przeważnie projektowane tak, aby obsługiwały różne systemy GNSS. Ich podstawowe komponenty to: zewnętrzna antena, zazwyczaj montowana na dachu budynku, która odbiera sygnały GNSS i jednostki repeatera z wbudowaną anteną służącą do ich retransmitowania, instalowane w pomieszczeniach oraz kabel, które je łączy. Jeżeli sygnał trzeba rozdystrybuować między piętrami, powielacze na kolejnych kondygnacjach podłącza się za pośrednictwem rozdzielaczy sygnału. Informacja o położeniu, która jest przesyłana przez repeatery w ramach jednej sieci, to współrzędne anteny zewnętrznej, a nie samego powielacza.
Pseudosatelity (pseudolity) to z kolei nadajniki naziemne, które imitują satelity. Rozmieszcza się je w ustalonych lokalizacjach, w miejscach, gdzie sygnał z nadajników na orbicie nie dociera albo jest bardzo słaby. Stanowią one punkt odniesienia dla odbiorników, które żeby uzyskać informację o swoim położeniu, nadawane przez nie sygnały są w stanie zinterpretować, tak jak sygnały GNSS. Pseudosatelity rozmieszcza się tak, by swoim zasięgiem obejmowały określone obszary, na przykład kompleksy leśne, tereny miejskie gęsto zabudowane wysokimi budynkami – tzw. kaniony miejskie (uliczne), nieobjęte zasięgiem systemów nawigacji satelitarnej tereny wiejskie.
Z założenia i repeatery, i pseudosatelity stanowią awaryjne źródło sygnału odniesienia. O ile jednak na potrzeby swoich zastosowań działają zgodnie z przeznaczeniem, o tyle mogą zakłócać odbiór oryginalnych sygnałów GNSS.
Zagłuszacze sygnału
Do zamierzonego zakłócania pracy odbiorników GNSS wykorzystywane są zagłuszacze (jammers). Urządzenia te, ze względu na specyfikę sygnałów zagłuszających, dzieli się na emitujące: sygnały o energii skoncentrowanej w wąskim paśmie (na jednej częstotliwości), sygnały w postaci ciągów impulsów prostokątnych (pasmo częstotliwości zakłócania można regulować, zmieniając szerokość i okres impulsów), sygnały o przełączanej częstotliwości. Klasyfikuje się je ponadto ze względu na pasmo częstotliwości, które zakłócają (L1, L2, najrzadziej L5) i ich zasięg, który w przypadku tych najsłabszych sięga kilkuset metrów, a tych najsilniejszych przekracza kilka kilometrów.
Najczęściej zagłuszacz sygnału nawigacji satelitarnej to podręczne, kompaktowe urządzenie, które podłącza się na przykład do gniazda zapalniczki samochodowej, działające na zasadzie szybkiego przełączania częstotliwości sygnału zagłuszania o mocy rzędu miliwatów w określonym paśmie. W zastosowaniach profesjonalnych używa się bardziej zaawansowanych konstrukcji zbudowanych z dużej liczby anten, o mocy rzędu watów, które często oprócz nawigacji satelitarnej zakłócają również sieci Wi-Fi i transmisję komórkową. Wybór spośród nich zależy od celu zagłuszania. Najprostsze (i zarazem zwykle najtańsze) typy zagłuszaczy są z reguły używane w celu ochrony prywatności.
Korzystają z nich na przykład kierowcy ciężarówek chcący uniknąć śledzenia przez pracodawcę czy osoby obawiające się, że ktoś niepowołany monitoruje ich przemieszczanie się (na przykład rząd). Zagłuszanie sygnałów GNSS może też utrudnić działania służb ratunkowych i uniemożliwić lokalizację pojazdów wojskowych i dronów. W takich przypadkach zagrożone jest bezpieczeństwo publiczne i narodowe. Dlatego zagłuszacze nawigacji satelitarnej są w wielu krajach nielegalne. Mimo to można je bez problemu kupić w Internecie.
Obrona przed zagłuszaniem
Zagłuszaniu sygnałów GNSS próbuje się zapobiegać na różne sposoby przede wszystkim w ramach odbiorczego układu antenowego. Przykład to odbiorniki z antenami dostrojonymi do różnych pasm częstotliwości sygnałów różnych systemów nawigacji satelitarnej (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) i z filtrami cyfrowymi. Odbiorniki MCMF (Multi Constellation Multi Frequency) są jednymi ze skuteczniejszych, jeżeli chodzi o ochronę przed niezamierzonym zagłuszaniem. Wynika to stąd, że jest mało prawdopodobne, że niecelowe zakłócenia będą się pokrywały z sygnałami różnych systemów GNSS na różnych częstotliwościach równocześnie. Sprawdzić się mogą również w przypadku zamierzonego zakłócania za pomocą najtańszych zagłuszaczy. Z bardziej zaawansowanymi mogą sobie już jednak nie poradzić.
Prostą metodą ochrony jest także użycie anteny niedostrojonej do sygnałów horyzontalnych, czyli zazwyczaj tych pod kątem poniżej 20‒30°. Wykorzystuje się w takim przypadku to, że większość zakłóceń, celowych i niezamierzonych, jest generowanych z powierzchni Ziemi, natomiast sygnały z satelitów powinny padać pod większym kątem. Podejście to ma niestety kilka wad. Główną jest pogorszenie dokładności ustalania położenia obiektu w poziomie, czyli współrzędnych szerokości i długości geograficznych, ze względu na to, że metoda ta zakłada wykluczenie również sygnałów z satelitów znajdujących się na małej wysokości nad horyzontem. Z tym związane jest większe tzw. geometryczne rozmycie precyzji (Geometric Dilution of Precision, GDOP), czyli błąd lokalizacji odbiornika spowodowany liczbą i rozmieszczeniem satelitów.
Rozmycie GDOP. Anteny CRPA
Odbiornik GNSS zazwyczaj wymaga sygnałów z czterech satelitów, żeby określić swoje położenie w trzech wymiarach. Dokładność tego ustalenia zależy m.in. od ich pozycji względem odbiornika. Jeśli są rozproszone po całym niebie w dużych odstępach, gwarantowana jest bardzo duża precyzja. Jeżeli wszystkie są blisko siebie w jednym kwadrancie nieba, dokładność maleje. Jeżeli dwa albo więcej satelitów jest ustawionych w linii, ustalenie położenia odbiornika może w ogóle nie być możliwe. W ostatnim przypadku rozmycie GDOP jest największe, a w pierwszym – najmniejsze.
W nowoczesnych odbiornikach wpływ błędu horyzontalnego geometrycznego rozmycia precyzji jest mniejszy. Ponieważ opierają się na sygnałach z kilku konstelacji satelitów, niedokładności są zwykle rzędu tylko kilku metrów.
Niedostrojenie do sygnałów horyzontalnych jest także problematyczne w przypadku odbiorników w pojazdach takich, jak samoloty i statki, dla których horyzont może się zmieniać, gdy się przechylają i pochylają. Oznacza to, że wtedy sygnały z satelitów pod większym kątem nie dotrą do odbiornika. Nasila się też wówczas wpływ zjawiska wielodrogowości, co jeszcze pogarsza dokładność.
Lepsze wyniki zapewniają anteny CRPA (Controlled Radiation Pattern Antennas). W ich przypadku również wykorzystuje się fakt, że sygnały z satelitów i zagłuszaczy zwykle docierają do odbiornika z różnych kierunków. W związku z tym należy zbudować filtr przestrzenny, który będzie te drugie usuwał, a pierwsze wzmacniał. By to osiągnąć, tworzy się specjalne układy antenowe. W nich (w uproszczeniu) sygnały z satelitów są sumowane, przy czym każdemu jest przypisana waga, która odpowiada przesunięciu fazowemu. To jest inne dla każdej anteny, w zależności od jej położenia w układzie. W ten sposób jego wypadkowa charakterystyka odbiorcza jest odpowiednio kształtowana i nakierowywana na satelity.
Czym jest spoofing?
Spoofing to celowe przesyłanie fałszywych sygnałów GNSS w celu wprowadzenia użytkownika w błąd przez to, że na ich podstawie odbiornik ustali niewłaściwe współrzędne i czas. Źródło sygnału, które zagłusza sygnał z satelity musi się pod niego „podszyć”. By to osiągnąć, atakujący sprawdzają, w zasięgu jakich satelitów znajduje się obiekt ich zainteresowania, a następnie, wykorzystując ich ogólnie dostępne identyfikatory, odpowiednio preparują sygnał zagłuszacza albo emitują wcześniej i w innym miejscu nagrane sygnały oryginalne.
Spoofing wymaga zaawansowanego sprzętu do odtworzenia sygnałów satelitarnych. Przez to jest trudniejszy do zrealizowania niż „zwykłe” zagłuszanie. Jest tym droższy i tym większego wymaga doświadczenia, na im większą skalę jest przeprowadzany. Ataki tego rodzaju o mniejszym zasięgu można jednak dość łatwo w zrealizować przy użyciu ogólnodostępnych, tanich rozwiązań SDR (Software Defined Radio).
Spoofing może mieć groźne konsekwencje dla osób, firm, a nawet na skalę globalną. Przykładowe skutki takiego ataku to: przekierowywanie w celu kradzieży przesyłek i drogich sprzętów, których pozycja jest monitorowana zdalnie (na przykład maszyn budowlanych), porwania statków dla okupu, zbaczanie z kursu przez samoloty, fałszowanie lokalizacji w celu ukrycia przestępstwa lub skierowanie ofiary w niebezpieczne miejsce.
Jak wykryć spoofing?
Wykrywanie podszywania się jest trudniejsze niż „zwykłego” zagłuszania. Rozpoznanie fałszywych sygnałów jest tym większym wyzwaniem, im wierniej odwzorowują te oryginalne.
W tym przypadku także podstawową ochronę zapewniają anteny CRPA, zmanipulowane sygnały są bowiem zazwyczaj emitowane z jednego kierunku, nie tak jak oryginalne sygnały GNSS, które docierają do odbiornika z różnych stron.
Ponadto siła sygnału z satelitów nie zmienia się zbytnio, ponieważ zawsze pozostają stosunkowo daleko od odbiornika. Z kolei źródła fałszywych sygnałów są zwykle bardzo silne, gdy są blisko i słabną w miarę oddalania się od nich obiektu ataku. Tylko najbardziej wyrafinowane urządzenia do spoofingu są w stanie uwzględnić przemieszczanie się odbiornika i w zależności od dzielącej je od niego odległości dopasować moc emitowanego sygnału. By to zrealizować, konieczne jest śledzenie kursu obiektu.
Podobnie fale radiowe ulegają przesunięciom Dopplera. Te dla sygnałów z satelitów będą różne, ponieważ obiekt porusza się w ich kierunku lub się od nich oddala, w zależności od ich położenia na niebie. W przypadku spoofingu będzie ono natomiast jednakowe dla wszystkich fałszywych sygnałów emitowanych z jednego kierunku, o ile atakujący nie śledzi ruchu obiektu i odpowiednio nie modyfikuje sygnału, który nadaje.
Oprócz tego na początku ataku zazwyczaj odbiorniki jednocześnie odbierają fałszywe i prawdziwe sygnały, aż do czasu gdy te pierwsze zagłuszą drugie. Wówczas zwykle następuje skokowa zmiana siły sygnału, jak i informacji o lokalizacji i czasie. Takie nagłe przełączenia i nieciągłości w danych również jednoznacznie wskazują na spoofing.
Monika Jaworowska
