GPS Jamming a GPS jelek szándékos zavarása Horváth Tamás BME Általános- és Felsőgeodézia tanszék 2005. április 26.
Tartalom Háttér Civil és katonai GPS felhasználók A sebezhető GPS Nem szándékos zavarás Szándékos zavarás Emberi hibaforrás Beltéri GPS sebezhetősége
Háttér Ismert, hogy a GPS által kisugárzott jelek rendkívül kis teljesítményűek: -130 dbmw (0 dbmw = 1 mw, 50 dbmw = 100W). Mint bármely más rádiójelet, a GPS jeleit is lehet zavarni. Egy pikowatt (10-12 W) teljesítményű interferencia forrás is elegendő a GPS jel tönkretételéhez. Egy 100 Wattos izzó 10 18 -szor nagyobb teljesítményű, mint egy GPS műhold jele a vevő antennánál! Jelenleg egyetlen civil GPS frekvencia létezik, a civil vevők döntő többsége egyfrekvenciás. A modulált kód jól ismert. A GPS jamming technológia nem titkos, egyszerű, házilag összeszerelhető jammer modellek leírása megtalálható az Interneten, komolyabb berendezéseket meg is lehet vásárolni.
Civil GPS felhasználók Egyre több alkalmazás támaszkodik a GPS-re Közlekedés/Áruszállítás Emberi élet védelme Földmérés/Térinformatika Környezetvédelem Időszinkronizálás Katasztrófa elhárítás Precíz mezőgazdálkodás Távközlés Bankügyletek Kereskedelem Egyéb
Katonai GPS felhasználók A GPS alapvetően katonai rendszer A katonai GPS vevők sokkal hibatűrőbb berendezések, mint civil társaik Gyártók 7% Hajó navigáció 2% Követés 10% Katonai alkalmazások 1% GIS 8% Gépjármű navigáció 35% Repülés 4% Kézi GPS vevők 26% Földmérés 7%
A sebezhető GPS Nem szándékos zavarás Az ionoszféra okozta interferencia Rádióforrások okozta nem szándékos interferencia Szándékos zavarás Jamming Spoofing Meaconing Emberi tényező GPS vevők tervezési hibái Navigációs rendszerek üzemeltetési hibái Felhasználói ismeretek hiánya
Az ionoszféra okozta interferencia Ionoszférikus jelkésleltetés Szabad elektronok okozta refrakció 11 éves, évszakos és napi periódusú változások Szcintilláció lokális elektronsűrűség változás okozta gyors amplitúdó és fázisváltozások a jelben teljes jelvesztést okozhat, soha nem az összes műholdra vonatkozik
Napkitörések geomágneses viharok (utolsó nagyobb vihar) a referenciaállomások észlelésein jól nyomon követhető Legerősebb hatás a geomágneses egyenlítő és a pólusok környékén
Mit lehet tenni? Két(több)frekvenciás vevők használata GPS modernizáció még több civil jel Geomágneses vihar figyelmeztetések figyelembe vétele mérés tervezéskor Australian Space Weather Agency http://www.ips.gov.au
Rádióforrások okozta nem szándékos interferencia URH adók 23-as, 66-os és 67-es TV csatornák Digitális TV adások Ultra szélessávú radar és kommunikációs berendezések Hibásan műküdő adók Műholdas Mobil Telekommunikációs Szolgáltatások Horizont feletti radar Személyes elektronikus berendezések (pl. mobil telefonok használata repülőgépek fedélzetén) más rádiónavigációs műholdrendszerek (pl. Galileo), a spektrum telített
Mit lehet tenni? Frekvenciaszabályozás és -védelem Nemzetközi hatóságok: ITU, WRC, CEPT,... Hazai hatóságok: NHHH SIMON Monitoring spektrum analizátorral mérési tartomány alsó határa -110 dbmw! a zajforrás lehet időszakos is, nem biztos, hogy jókor mérünk nem egyszerű feladat a mérési eredmények interpretálása, a módszer előrejelzésre nem alkalmas a megtalált zavaró jel megszűntetése a bürokratikus eljárás miatt hosszadalmas
Elektronikus berendezések tervezőinek együttműködése, szabályozás szigorú betartatása (al- és felharmonikus sugárzás teljesítményének határértéke) GPS modernizáció több civil jel, nagyobb kisugárzott teljesítmény, az L5-ös jel struktúrája miatt jobban ellenáll majd az interferenciának Felhasználók együttműködése
Interferencia bejelentés Az amerikai parti őrség (USCG) navigációs központja nyilvántartja a világ bármely pontján észlelt GPS vételi problémákat. A http://www.navcen.uscg.gov weboldalon lehet bejelenteni az interferencia-gyanús észlelési problémákat. A bejelentéseket kiértékelik és 30 napon belül válaszolnak
Szándékos GPS zavarás A katonai védelem jól ismert módszere, a rádiólokációval együtt született A GPS katonai felhasználásának gyors terjedésével párhuzamosan fejlődött Jelentős veszélyt jelent a civil felhasználókra nézve
GPS Jamming Elegendően nagy energiájú és megfelelő karakterisztikájú zavaró jel kibocsátása a GPS frekvenciákon interferenciát okoz. Zavaró jel típusa lehet: keskenysávú folyamatos adás (CW) a GPS sávban, szélessávú folyamatos adás sáv átfedéssel, szórt spektrumú (spread spectrum) GPS jelhez hasonló GPS Spoofing A gyanútlan GPS felhasználó megtévesztésére valódinak tűnő hamis C/A jelek kisugárzása a számított pozíció távolodik a valódi helyzettől GPS Meaconing jelvétel és késleltetett újrasugárzás, amellyel összezavarják a vevőket
GPS Jammerek Nagyteljesítményű (kw-mw) katonai jammerek Többféle karakterisztikájú zavaró jelet tudnak kibocsátani Igen drágák (több ezer, akár millió dolláros eszközök) Könnyen be lehet mérni és meg lehet semmisíteni Alacsony teljesítményű jammerek Egyszerű felépítésűek (elektronikai boltokban kapható alkatrészekből házilag megépíthetőek) Olcsók (néhány 100 dollár) tömeggyárthatóságban rejlik az igazi veszélyük Orosz Jammer 1 wattos Jammer
GPS Jammerek Professor David Last [257]Last, J.D., Global satellite navigation in Europe - On course?, The European Navigation Conference GNSS2003, Graz, Austria, 22-25 April 2003 (Invited keynote paper)
Szándékos zavarás - konzekvenciák Egy 1 wattos CW jammer 10 km-es hatótávolságon belül minden GPS vevőt a holdak elvesztésére kényszerít, 85 km-en belül pedig lehetetlenné teszi új holdak vételét. Egy 1 wattos szórt spektrumú jammer 1000 km-en belül teszi lehetetlenné a C/A jel vételét rendkívül nehéz kimutatni hagyományos módszerekkel pl. spektrum analizátorral. Egy 1 wattos spoofer 350 km-es hatótávolságon belül teljes jelvesztést okoz.
Szándékos zavarás további konzekvenciák Mielőtt bekövetkezne a jelvesztés a GPS vevő akár többszáz méteres hibával terhelt pozíciót is számíthat 20-30 másodpercen át, anélkül, hogy a felhasználó bármilyen figyelmeztetést kapna ez GPS vevő tervezési hiba. A jamming megszűnése után rossz esetben 1-2 perc is eltelhet, amíg a vevő újra normálisan működni kezd, vannak vevők, melyek csak újraindításra jönnek rendbe ez szintén GPS vevő tervezési hiba. Nemcsak a pozícionálás szűnhet meg! kommunikációs berendezések a GPS időjelet veszik.
Van-e jamming ellenszer? Digitális szűrés elő- és utókorreláció Keskenysávú zavaró jel ellen időbeli és spektrális szűrés (olcsóbb) Szélessávú zavaró jel ellen térbeli szűrés (drágább) Antenna tömb használata a jammer(ek) helyének bemérése, az antenna gain pattern-jének megváltoztatása (nulla irány a jammer felé = null steering) nagyon drága, inkább katonai alkalmazások Gain pattern: A GPS antennák nem egyformán érzékenyek minden irányban (anizotrópok), van olyan kitüntetett irányuk, amelyből nagyobb energiát képesek felvenni.
Van-e jamming ellenszer? Polarizáció alapú megkülönböztetés RHCP LHCP, olcsóbb, de repülőkre tervezve GPS modernizáció L5: nagyobb teljesítmény (+ 6 db), hosszabb kód, nagyobb chipfrekvencia hatásos védelem CW jamming ellen 100%-os védelmet egyik módszer sem garantál Tartalék navigációs berendezések!!!
Mit lehet tenni a spoofing ellen? Jel hitelesítés Navigációs üzenet hitelesítése: csatolt digitális kód az efemerisz, almanac, stb. hitelesítésére, ismételt ellenőrzés (5 percenként) jelentősen megnehezíti a spoofing eljárást Kód hitelesítés: speciális csatolt kód, hasonló a P(Y) kódhoz, csak azok férnek hozzá a jelhez, akik rendelkeznek a kulccsal.
Az emberi hibák okozta biztonsági kockázat A legtöbb légi balesetet, amelyben a GPS technológia is szerepet játszott, emberi mulasztás okozta Repülési magasság meghatározásra DGPS korrekciók nélkül Pilóták repülés közbeni kézi GPS használata Kézi GPS akkumulátorainak lemerülése A pilóták hajlamosabbak rossz időjárási körülmények között is kockázatos manőverekre, ha GPS-el van felszerelve repülőgépük A pilótáknak nehézségeik támadnak, ha nem a megszokott GPS vevőjükkel kell navigálni
Túlzott óvatosság: Katonai teszteléskor kiderült, hogy egyes alakulatok a Jamming jelenlétének lehetősége miatt azonnal kikapcsolták vevőiket, lemondva a GPS navigáció nyújtotta előnyökről Túlzott bizalom: helikopter konvoj figyelmen kívül hagyva egyértelmű figyelmeztetéseket, letértek a helyes repülési irányról és a jamming alatt levő GPS vevő által javasolt hamis irányban haladtak tovább Tudáshiány a felhasználók nem tudják felismerni, ha a GPS navigáció nem működik megfelelően A meglévő kiegészítő rendszerek figyelmen kívül hagyása GPS vevő tervezési hibák A GPS rendszer túlmisztifikálása (TDK dolgozat vakok navigációjáról) Mindezek felhívják a figyelmet az oktatás fontosságára a jamming felismerésének és kezelésének területén, és alkalmazástól függően az azonnali tartalék/kiegészítő (INS, radar) berendezésekre való átállás lehetőségére.
Beltéri GPS és a belső ellenség Új alkalmazási terület A falakon átjövő, vagy visszaverődött GPS jelek vételéhez az eddigieknél is érzékenyebb vevőkre van szükség (-20 db) Ilyen alacsony jelszinten (-150 dbmw) már az igen kis energiájú zajforrások is komoly gondot okozhatnak: A szobában lévő elektronikus berendezések Zavaró felharmonikusok A GPS-el ellátott berendezés (pl. mobiltelefon) belső zaja A GPS chipset saját zaja! Az elektronikus berendezések elektromágneses zajkibocsátására vonatkozó határértékek jóval a kérdéses tartomány fölé esnek GPS Chip és modulgyártó cégek feladata a problémamegoldás
Összefoglalás, javaslatok Egyre nagyobb mértékben támaszkodunk a GPS-re Kritikus alkalmazásokban is nagy szerepet kap Kiváló technológia, használjuk ezután is bátran! De! A GPS technika sebezhetősége veszélyt jelenthet az emberi életre, a környezetre, a gazdaságra Legyünk tisztában a veszélyforrásokkal! nagy szerepe van az oktatásnak Jelentsük be ha interferenciát észlelünk! Alkalmazzunk megfelelő eljárásokat a zavaró hatás csökkentésére! Rendelkezzünk megfelelő tartalék/kiegészítő eszközökkel!
Kérdések? Információ: Web: www.gpsnet.hu, www.sgo.fomi.hu E-mail: Horvath@gpsnet.hu Telefon: (27) 374-980, (27) 374-844/115