Signaleigenschaften von zivilen GPS-Störsendern: Wichtige Erkenntnisse

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Die zunehmende Integration von GPS in die zivile Infrastruktur hat zu einem entsprechenden Anstieg der Anfälligkeit des Systems für Störungen und Störungen geführt. Diese Schwachstelle wird von Gesetzesbrechern ausgenutzt, die versuchen, GPS-fähige Systeme zu stören, was zur weit verbreiteten Verfügbarkeit von GPS-StörGPS-StörsGPS-Störsender führt. Diese erschwinglichen Geräte, die oft günstiger sind als einfache GPS-Empfänger, stellen eine erhebliche Bedrohung für den reibungslosen Betrieb zahlreicher GPS-abhängiger Systeme dar. Die Landschaft der absichtlichen Hochfrequenz-Interferenzen (HF) ist vielfältig und umfasst verschiedene Formen wie Töne, gesweepte Wellenformen, Impulse, Schmalbandrauschen und Breitbandrauschen, die alle GPS-Signale stören können.

Die Abschwächung der Auswirkungen von Störungen und Interferenzen sowie die Lokalisierung ihrer Ursachen kann durch verschiedene Methoden erreicht werden. Diese Verfahren können durch die Nutzung von Vorinformationen über die Störquelle weiter verbessert werden. Dieser Artikel enthält solche Vorabinformationen, wobei er sich auf eine Reihe von Störsendern konzentriert und die damit verbundenen Bedrohungen bewertet. Unsere Ergebnisse basieren auf zwei Tests. Der erste Test umfasste die Aufzeichnung von HF-Rohdaten von ausgewählten Störsendern und deren Analyse mit Hilfe von Spektralmethoden der schnellen Fourier-Transformation (FFT). Im zweiten Test wurde die effektive Reichweite einer Untergruppe von GPS-Störsendern mit einem handelsüblichen (COTS)-Empfänger bewertet. Die in diesem Artikel vorgestellten Ergebnisse basieren auf 18 zivilen GPS-Störsendern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass es andere Arten von GPS-Störsendern gibt, die nicht getestet wurden. Darüber hinaus werden sich das Verhalten und das Design von zivilen Störsendern wahrscheinlich im Laufe der Zeit weiterentwickeln.

Zivile GPS-Störsender, die behaupten, GPS-Signale zu stören oder zu „blockieren“, sind über verschiedene Websites und Online-Einrichtungen leicht zugänglich. Die Kosten für diese Geräte variieren erheblich und reichen von nur ein paar Dutzend Dollar bis zu mehreren Hundert. Ihr Preis scheint jedoch nicht mit den von den Anbietern behaupteten Merkmalen und der Wirksamkeit zu korrelieren. Die beworbenen effektiven Reichweiten reichen von einigen Metern bis zu mehreren Dutzend Metern, aber die tatsächlichen effektiven Reichweiten sind oft viel größer. Darüber hinaus reichen die behaupteten und tatsächlichen Stromverbrauche von einem Bruchteil eines Watts bis zu mehreren Watt. In diesem Artikel ziehen wir Schlussfolgerungen, die ausschließlich auf den von uns getesteten Störsendern basieren.

Wir untersuchten verschiedene GPS-Störsender und kategorisierten sie anhand ihrer Morphologie in drei verschiedene Gruppen. Diese Störsender, die für den Anschluss an eine 12-Volt-Hilfsstromsteckdose im Automobil (Zigarettenanzünderbuchse) ausgelegt sind, bilden die Gruppe 1. Ein weiteres Set, Gruppe 2, besteht aus Störsendern, die mit einem internen Akku betrieben werden und über eine externe Antenne verfügen, die über einen SMA-Anschluss angeschlossen ist. Gruppe 3 schließlich besteht aus Störsendern, die als Mobiltelefone getarnt sind; Sie haben Batterien, aber keine externen Antennen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel aus jeder dieser drei Gruppen. Von allen 18 Störsendern wird die meiste Sendeleistung in der Nähe der L1-Trägerfrequenz ausgestrahlt, sechs in der Nähe der L2-Trägerfrequenz und keiner in der Nähe der L5-Trägerfrequenz.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Leistungspegel, die innerhalb der GPS-Bänder L1 und L2 von verschiedenen Signalstörsendern gesendet werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass viele dieser Geräte das Potenzial für eine einfache Modifikation besitzen, die es ihnen ermöglicht, eine deutlich höhere Leistung innerhalb der GPS-Bänder zu übertragen. Bemerkenswert ist, dass einige störsender zwar auch auf Frequenzen außerhalb des GPS-Spektrums arbeiten, wie z. B. Mobiltelefon- oder Wi-Fi-Bänder, diese jedoch nicht Gegenstand unserer Diskussion sind. Während unserer Tests haben wir die Störantennen entfernt, um konsistente Messungen zu gewährleisten. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass die Antennen in realen Anwendungen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Verhaltens des Störsenders spielen. Konkret verwenden Störsender der Gruppe 1 und 2 geladene Monopolantennen, während Störsender der Gruppe 3 auf elektrisch kurzen Helixantennen basieren, die ein ähnliches Verstärkungsmuster wie die geladenen Monopole aufweisen.

Diese Antennen emittieren linear polarisierte Strahlung, im Gegensatz zur rechtsseitigen zirkularen Polarisation von GPS-Signalen. Aufgrund dieser Polarisationsdiskrepanz kommt es bei rechtsseitig zirkular polarisierten GPS-Empfängerantennen zu einem Leistungsverlust. Diese innovative Technologie sorgt für einen reibungslosen Signalfluss bei gleichzeitiger Beibehaltung einer optimalen Empfangsqualität, trotz der inhärenten Leistungsreduzierung, die durch die Polarisationsdifferenz verursacht wird.

Wie effektiv sind Störsignale? Ein Merkmalstest

Das Hauptziel unserer ersten Testreihe bestand darin, komplizierte Stichproben von Störsignalen zu erfassen und aus diesen Datensätzen die Eigenschaften des Störsenders abzuleiten. Wir haben einen zweistufigen Ansatz für eine effektive Datenerfassung verwendet. Zunächst wurde ein Spektrumanalysator verwendet, um den Frequenzbereich des Störsignals in der Nähe von L1 und L2 zu bestimmen. Anschließend wurden die identifizierten Frequenzdetails verwendet, um die Mittenfrequenz eines Mehrzweck-HF-Digitalisierungs- und Signalspeichergeräts einzustellen, das mit einem RAID-Speicherarray mit 12 Laufwerken ausgestattet ist. Die aufgezeichneten Daten wurden anschließend offline analysiert. Unser Testverfahren umfasste die folgenden Schritte: Für die ersten beiden Gruppen wurde der Störsender in einem HF-geschirmten Testgehäuse positioniert (siehe ABBILDUNG 2), um Signalverluste zu vermeiden. Dessen SMA-Signalausgang wurde dann über ein geschirmtes Koaxialkabel mit dem entsprechenden Datenerfassungsgerät verbunden.

Das HF-Gehäuse wurde in erster Linie als Vorsichtsmaßnahme verwendet, um sicherzustellen, dass Signale durch die eingebaute Koaxialdurchführung von innen nach außen geleitet werden. Bemerkenswert ist, dass bei Störsendern der Gruppen 1 und 2 auch innerhalb des Gehäuses keine Störsignalstrahlung auftrat. Auf der anderen Seite durften Störsender der Gruppe 3, die keine externen Antennen hatten, mit ihren internen Antennen innerhalb des HF-Gehäuses strahlen. Um diese Signale zu erfassen, wurde eine aktiv verstärkte Empfangspatch-Antenne im HF-Gehäuse positioniert. Der Ausgang dieser Antenne wurde dann über die koaxiale Durchführung des Gehäuses mit dem entsprechenden HF-Aufzeichnungsgerät verbunden. Der Störsender und die Empfangsantenne waren etwa 14 Zentimeter voneinander entfernt, wobei das Gesichtsfeldzentrum der Patch-Antenne direkt auf den Störsender gerichtet war. Der Störsender war so ausgerichtet, dass die Achse seiner spiralförmigen Antenne senkrecht zu der Linie stand, die die Empfangsantenne und den Störsender verbindet.

Wie effektiv sind Signalstörer? Testergebnisse veröffentlicht

Mit Hilfe von FFT-Spektralmethoden und Messungen der In-Band-Leistung analysierten wir die Signale von 18 Störsendern, wobei hier nur eine repräsentative Teilmenge besprochen wird. Abbildung 3 veranschaulicht die Ergebnisse dieser Analyse für einen typischen Störsender aus Gruppe 1. Das obere Diagramm dieser Abbildung stellt die Häufigkeit auf der vertikalen Skala im Vergleich zur Zeit auf der horizontalen Skala dar, während das untere Diagramm die Leistung auf der vertikalen Skala im Vergleich zur Zeit auf der horizontalen Skala darstellt. Jede vertikale Schicht des aufgezeichneten HF-Datendiagramms stellt ein einzelnes FFT-Frequenzspektrum dar, das 62,5 MHz abdeckt und auf dem L1-Band mit einer Auflösung von ca. 1 MHz zentriert ist. Die relative spektrale Leistungsdichte jeder Schicht wird durch die Farbe angezeigt. Die Zeitachsen beider Diagramme erstrecken sich über 80 Mikrosekunden. Das obere Diagramm von Abbildung 3 zeigt deutlich eine lineare Frequenzmodulation, die von schnellen Rückschlägen durchsetzt ist – einer Reihe von linearen Chirps. Jeder Sweep dauert neun Mikrosekunden und erstreckt sich über einen Bereich von etwa 14 MHz.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Störsendersignalen beobachteten wir bemerkenswerte Unterschiede innerhalb der Geräte der Gruppe 1. Trotz ihres scheinbar identischen Äußeren zeigten diese Störsender ein unterschiedliches Signalverhalten, das sich in der Frequenzmodulation und der Ausgangsleistung innerhalb des L1-GPS-Bandes unterschied. Dieser zivile Frequenzbereich, der in unserem oberen Diagramm durch eine horizontale rote Linie gekennzeichnet ist, ergab eine konstante Ausgangsleistung von etwa 20 Milliwatt über die Geräte hinweg. Interessanterweise schienen drei dieser Störsender ein gemeinsames Modell zu haben, während einer sich abhob. Alle werden exklusiv auf L1 ausgestrahlt. Darüber hinaus erregte ein einzigartiger Störsender aus Gruppe 2 aufgrund seiner doppelten Unterscheidung, wie in ABBILDUNG 4 dargestellt, unsere Aufmerksamkeit. Dieses Gerät zielte speziell auf das L2-Spektrum ab, wobei seine Mittenfrequenz durch die rote Linie gekennzeichnet ist und im Vergleich zu seinen Gegenstücken ein ungewöhnliches spektrales Profil aufweist.

Entdecken Sie die besonderen Merkmale fortschrittlicher Signalstörsender. Im Gegensatz zu Abbildung 3 weist der in Abbildung 4 gezeigte Störsender eine Dreieckswellen-Frequenzmodulation auf, die sich durch eine bemerkenswert hohe Modulationsfrequenz auszeichnet. Diese schnelle Modulation hat eine Periode von nur 1 Mikrosekunde, was einer zehnfachen Verringerung im Vergleich zu ihren Gegenstücken entspricht. Darüber hinaus erstreckt sich die horizontale Skala über nur 8 Mikrosekunden und bietet einen genaueren Einblick in die Funktionen. Während Störsender der Gruppe 2 in der Regel Sägezahn-Frequenzmodulationen verwenden, wie in Abbildung 3 zu sehen ist, geht dieses spezielle Modell darüber hinaus und sendet Störleistung sowohl bei L1- als auch bei L2-Frequenzen.Obwohl zwei Störsender aufgrund ihrer schlecht konzipierten L1-Frequenzmodulation zu kurz kamen, da keine Störleistung näher als 4,6 MHz vom L1-Träger entfernt war, zeichnet sich dieser Störsender durch seine Reichweite und Vielseitigkeit aus. Darüber hinaus führen Störsender der Gruppe 3 eine weitere ungewöhnliche Modulation ein, wobei die L1-Ergebnisse in ABBILDUNG 5 festgehalten sind und die vielfältigen Fähigkeiten dieser Geräte demonstrieren.

Vier Störsender in Gruppe 3 übertragen die Leistung auf L1, L2 und weiteren Frequenzbändern, wobei in der Regel eine standardmäßige Sägezahn-Frequenzmodulation verwendet wird. Wie jedoch in der oberen Grafik der Abbildung zu sehen ist, scheint diese Modulation durch plötzliche Frequenzsprünge verzerrt zu sein, was zu einer linearen Frequenzmodulation führt. Trotz ihrer unregelmäßigen Natur behält diese Wellenform ihre Störwirkung bei. Drei der Störsender schienen vom gleichen Modell zu sein, während sich ein vierter unterschied. Abbildung 5 stellt eine Ausnahme dar, bei der bei einigen Störsendern zusätzliche Arten von Verzerrungen durch die nominale Sägezahnfrequenzmodulation beobachtet wurden. Der Kürze halber wurde hier nicht auf jede weitere Variation eingegangen. Weitere Einzelheiten finden Sie im begleitenden Konferenzbeitrag der Autoren, der in der Seitenleiste „Weitere Literatur“ aufgeführt ist.