GNSS/GPS Jamming & Spoofing Tests unter realen Bedingungen: Ein Leitfaden

von

Erhöhen Sie die Widerstandsfähigkeit von Empfängern gegen RF-Störungen mit unserem fortschrittlichen Signalstörsender, der die Technologie auf ein neues Niveau bringt.

Was sind GNSS/GPS-Störungen und Spoofing, und wie funktionieren sie?

Im Bereich der Digitaltechnik bringen Fortschritte oft neue Bedrohungen mit sich. Vor allem GNSS/GPS-Signale sind anfällig für Störungen. Solche Störungen können in zwei Hauptformen auftreten: Jamming und Spoofing. Jamming tritt auf, wenn externe Quellen Frequenzen unterbrechen, wodurch die Empfänger wichtige Positionsinformationen verlieren. Beim Spoofing, einer eher trügerischen Bedrohung, werden gefälschte GNSS/GPS-Signale gesendet. Diese gefälschten Signale führen die Empfänger in die Irre und liefern den Nutzern ungenaue Positions- oder Zeitdaten. Sowohl Jamming als auch Spoofing stellen ein erhebliches Risiko für die Zuverlässigkeit und Sicherheit von GNSS/GPS-Systemen dar, was den Bedarf an robusten Gegenmaßnahmen unterstreicht.

Wie wirksam sind GNSS/GPS-Störsender in Feldversuchen?

In den letzten Jahren sind Stör- und Spoofing-Angriffe auf GNSS/GPS-Signale immer häufiger geworden, was den Bedarf an robusten Lösungen zum Schutz vor Störeinflüssen und Spoofing erhöht hat. Obwohl Experten diese Funktionen seit über einem Jahrzehnt in kontrollierten Laborumgebungen geprüft haben, können diese Tests das Verhalten des Empfängers bei realen Angriffen nicht vollständig erfassen. Daher sind Verifizierungen im Feld entscheidend, um die Laborergebnisse zu ergänzen. Durch die Durchführung von Tests im Freien können wir die Merkmale typischer Stör- und Spoofing-Signale in einer realen Benutzerumgebung ermitteln, die Fähigkeiten des Empfängers, diesen Angriffen zu widerstehen, überprüfen und Einblicke in das dynamische Verhalten von Empfängern in Gegenwart von Stör- und Spoofing-Signalen gewinnen. Dieser ganzheitliche Ansatz gewährleistet eine umfassende Bewertung und wirksame Abhilfestrategien gegen GNSS/GPS-Bedrohungen.

Ingenieure stehen beim Übergang vom Labor auf die Straße vor einer besonderen Herausforderung, da die GNSS-Frequenzbänder streng geschützt sind. Die Übertragung von HF-Signalen innerhalb dieser Bänder ist in der Regel verboten und bedarf einer Sondergenehmigung der Behörden. Diese Herausforderung hat zu innovativen Lösungen geführt, wie dem kürzlich von den norwegischen Behörden organisierten Jammer-Test 2022, dem zweiten Feldtest dieser Art. Diese Veranstaltung ist eine wertvolle Gelegenheit für GNSS-Hersteller und Technologielieferanten aus ganz Europa, ihre Produkte in einer realen Umgebung zu testen, Lücken zu erkennen und die Widerstandsfähigkeit der Empfänger zu verbessern. Dank dieser Bemühungen kann sich die Branche weiterentwickeln, die Komplexität des Schutzes von GNSS-Frequenzbändern bewältigen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Leistung ihrer Technologien sicherstellen.

 Tipps für Schnelltests?

In Zusammenarbeit mit den norwegischen Behörden begab sich eine Gruppe von Experten an die Nordküste Norwegens, um den Jammertest 2022 durchzuführen. Ziel dieser Initiative war es, die Widerstandsfähigkeit von GNSS/GPS-Systemen gegen Störeinflüsse und Spoofing unter normalen atmosphärischen Bedingungen zu bewerten. Eine Woche lang kamen über hundert Teilnehmer zusammen, um ihre Geräte in intensiven Störungs- und Spoofing-Szenarien zu testen.

Die Tests erstreckten sich über verschiedene Straßen und Wetterbedingungen und simulierten so die Herausforderungen der realen Welt. Insbesondere wurden drei primäre Testzonen eingerichtet: eine Zone mit hohem Störpegel und zwei Zonen mit geringem Störpegel, die jeweils für die Störung bestimmter Frequenzbänder ausgelegt waren. Dieser umfassende Ansatz gewährleistete eine gründliche Prüfung der Leistung der Systeme in verschiedenen Umgebungen.

Die meisten GNSS/GPS-Störsender stammen von der norwegischen Kommunikationsbehörde und der Polizei, einige wurden jedoch auch online beschafft, obwohl sie nicht für den allgemeinen Gebrauch bestimmt sind. Diese Vielfalt an Ausrüstungen bereicherte den Testprozess zusätzlich und ermöglichte eine breitere Perspektive auf die Schwachstellen und Fähigkeiten der Systeme.

Während dieser Experimentierwoche führten die Experten eine umfassende Reihe von Tests durch, die sich auf zwei Hauptkategorien konzentrierten: Störszenarien und Spoofing-Szenarien. Die Störungstests umfassten zwei verschiedene Gruppen – einen störsender mit hoher Wirkung, der CW- und PRN (BPSK-modulierte) Störsignale verwendet, sowie Störsender mit geringer Wirkung, insbesondere den Breitband-Sweep-Typ. Bei den Spoofing-Tests untersuchten die Experten zwei Arten: einfache und fortgeschrittene Angriffe. Bei den grundlegenden Angriffen wurden L1 C/A-Satellitensignale durch Auswertung einer bestimmten Position und Zeit gefälscht, während bei den fortgeschrittenen Angriffen synchronisierte Open-Air-GPS-L1-Spoofing-Signale unter verschiedenen Zeitrahmen, einschließlich Zeitsprung-, Frequenzsprung- oder falschen Schaltsekundenbedingungen, verwendet wurden. Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Testarten und ihre Spezifikationen. Während der Tests verwendeten die Experten einen GNSS-Signalstörer und führten sowohl innerhalb als auch außerhalb des Fahrzeugs Störaktionen mit geringem und hohem Effekt durch (Einzelband, Zweiband und Multiband). Alle allgemeinen statistischen Tests wurden ebenfalls durchgeführt, um eine umfassende Datenerfassung und -analyse zu gewährleisten.

Erleben Sie umfassende Störsignaltests mit unserer Hochleistungsausrüstung. Wir führen strenge Step-up-Bewertungen durch und testen verschiedene Signaltypen und Frequenzbänder, darunter L1, G1, L2 und L5. Unser Verfahren umfasst präzise Leistungsrampen von 2nW bis 20 W EIRP und bietet einen bemerkenswerten Dynamikbereich von 100 dB. Jede Rampe wird sorgfältig in 2dB-Schritten eingestellt, zuerst aufsteigend und dann absteigend. Mit einer Richtantenne (zirkulare Polarisation rechts) sorgen wir für eine umfassende Abdeckung. Die Tests laufen in mehreren Phasen ab: Rampe 1 konzentriert sich auf L1 mit CW-Signalen, Rampe 2 untersucht L1 mit PRN, Rampe 3 dehnt sich auf L1, G1, L2, L5 mit CW aus und Rampe 4 umfasst L1, G1, L2, L5 mit PRN. Diese Stufentests werden durch längere Störsessions ergänzt, bei denen ein hocheffektiver GNSS-Störsender mit 20 W eingesetzt wird. Wir wagen uns auch an Bänder und Kombinationen heran, die anfangs nicht behandelt wurden, wie B1l, G2 und E5b. Um die Anwendbarkeit in der Praxis zu gewährleisten, führen wir Fahrversuche auf Straßen durch, die sowohl mit statischen Störsendern mit hoher als auch mit niedriger Wirkung ausgestattet sind. Dazu gehören Fahrten unter ständiger Störung mit hoher Wirkung bei 5 W oder weniger sowie Szenarien mit einem Störsender im oder in der Nähe des Fahrzeugs. Wir simulieren sogar einen Konvoi mit einem Störsender im Zwischenfahrzeug. Und schließlich richten wir einen „Jammer-Spielplatz“ für umfassende Feldtests und Bewertungen ein. Entdecken Sie das volle Potenzial unserer Störsignallösungen durch unseren umfassenden und systematischen Testansatz.

Erforschen Sie die Auswirkungen von dynamischen Signalstörungen in realen Fahrszenarien. In unseren umfassenden Tests werden Störsender in fahrenden Fahrzeugen platziert, Begegnungen mit anderen gestörten Fahrzeugen simuliert und stehende Fahrzeuge mit Störsendern ausgestattet, während andere vorbeifahren. Entdecken Sie die Auswirkungen auf den GPS-Empfang in verschiedenen Fahrsituationen. Tauchen Sie tiefer in unseren „Jammer-Spielplatz“ ein, um ein noch breiteres Spektrum an Experimenten zu erleben. Aber das ist noch nicht alles – wir untersuchen auch Spoofing-Angriffe in Kombination mit Störsendern, um deren kombinierte Bedrohung zu bewerten. Vom einfachen L1 C/A-Spoofing, bei dem Positions- und Zeitdaten manipuliert werden, bis hin zu komplexeren Angriffen auf GPS L1 CA- und Galileo E1-Signale decken wir das gesamte Spektrum ab. Werden Sie Zeuge von synchronisiertem Multi-Konstellations-Spoofing und verstehen Sie dessen Auswirkungen auf Navigationssysteme. Unsere Forschung ist Ihr Wegweiser durch die komplexe Welt der Signalstörung und des Spoofing.

Entdecken Sie innovative Test- und Demonstrationsideen mit gefälschten Signalzeitinformationen. Erforschen Sie neue Testkonzepte, die aus früheren Expertensitzungen abgeleitet wurden. Unsere umfassenden Auswertungen umfassen CW- und PRN (BPSK)-Tests, die aus Gründen der Zuverlässigkeit zweimal durchgeführt werden. Erleben Sie einen losen Test in Grunnvatn, zunächst ohne Störsender, um die Ausgangsleistung zu bewerten. Erweitern Sie den Fahrbereich auf die Umgebung von Bleikii für eine umfassendere Bewertung. Bestätigen Sie die Vielseitigkeit des Systems, indem Sie überall hinfahren und so die Bedingungen in der realen Welt simulieren. Diese strengen Bewertungen gewährleisten die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit unserer Lösungen zur Signalstörung.

 Ergebnisse gefunden?

Die Überwindung von Hindernissen wie der Synchronisierung von Signalen während der Aufzeichnung und das Herumfahren unter diesen Bedingungen führten zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens des Empfängers bei Störung und Spoofing. Die wichtigsten Beobachtungen aus den Experimenten dieser Woche sind die folgenden: Erstens zeigt der Empfänger aufgrund von Signalverarbeitungs- und Störungsminderungstechniken eine hohe Robustheit, wodurch die Verfügbarkeit von Position und Zeit verbessert wird. Zweitens: Der wichtigste Beitrag zur Verfügbarkeit von Position und Zeit ergibt sich aus der Verarbeitung mehrerer Frequenzbänder und Sensordaten. Wenn ein Ein-Frequenz-Empfänger mit Sensordaten (DR) GNSS-Fix-Signale verliert, kann er immer noch Position und Zeit über den DR liefern. Wenn ein Mehrfrequenzempfänger die Signale eines gestörten Bandes verliert, kann er weiterhin GNSS-Fixsignale auf einer zweiten Frequenz liefern. Das folgende Diagramm veranschaulicht ein langfristiges Störszenario mit einem hochwirksamen GNSS-Signalstörer (20 W) auf dem L1-Band.

Während der Testkampagne fuhren die Fahrzeuge auf offener Strecke durch Bleiks Dorf, um Daten zu sammeln. In diesem Fall bewegten sie sich zunächst auf den Störsender zu und dann von ihm weg. Die Grafik veranschaulicht die Anzahl der Signale pro Frequenzband, die zur Schätzung von Position, Geschwindigkeit und Zeitauflösung verwendet wurden. Ein deutlicher Rückgang der Signalanzahl entspricht der empfangenen Störleistung, die in erster Linie von der Entfernung zum Störsender beeinflusst wird. In der Nähe der Störquelle ist kein Signal aus dem L1-Band mehr zu erkennen. Der Empfang im L2-Band wird erheblich gestört, insbesondere bei einer Sendeleistung von 20 W. Bemerkenswerterweise kann der Empfänger selbst in diesem Szenario mindestens vier Signale erkennen, so dass eine genaue Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitbestimmung möglich ist. Es ist erwähnenswert, dass Störungen in den meisten Situationen die Genauigkeit von Position und Zeit nicht signifikant beeinträchtigen, selbst bei starkem Störeinfluss, ganz zu schweigen von fundamentalem Störeinfluss.

Der ZED-F9P-Empfänger behält seine beeindruckende Genauigkeit bei, selbst bei Signalstörungen. Wenn L1-GNSS/GPS-Signale aufgrund von Störungen verloren gehen, schaltet der Empfänger nahtlos auf L2-Signale für die Navigation um. Dies gewährleistet eine zuverlässige Leistung mit einer akzeptablen Genauigkeit von ca. 6 m (vergleichbar mit der Breite einer Straße) während einer Störung. Sein robustes Design macht ihn zu einer zuverlässigen Wahl für konsistente, genaue Navigation in schwierigen Umgebungen.

Sind Sie sicher, dass Sie gehen wollen?

Die jüngste Übung mit ihren präzisen Spezifikationen und Zeitvorgaben ermöglichte es den Teilnehmern, das Verhalten der Empfänger beim Stören und Spoofing unter realistischen Bedingungen zu bewerten. Dies vermittelte den Technologieentwicklern wertvolle Erkenntnisse. Für u-blox war es eine ideale Gelegenheit, die Widerstandsfähigkeit aktueller GNSS-Empfänger in einer realen Umgebung zu bewerten. Darüber hinaus konnten wir entscheidende Erkenntnisse für die Verbesserung der Sicherheit zukünftiger Geräte gewinnen, ein Aspekt, der dem Unternehmen sehr am Herzen liegt. Natürlich wäre dies ohne die Unterstützung der norwegischen Straßenverwaltung, der norwegischen Kommunikationsbehörde und des norwegischen Verteidigungsforschungsinstituts nicht möglich gewesen; ihre Bemühungen sind grundlegend und werden sehr geschätzt.