Wie geht man gegen GPS-Störungen in Umgebungen mit starker Störung vor? Tipps und Tricks

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Betreiber im östlichen Mittelmeer, im Schwarzen Meer, im Baltikum, in Polen und in Teilen Skandinaviens stehen vor einer großen Herausforderung: starke GNSS-Störungen. Diese Störungen stören nicht nur, sondern stellen auch eine erhebliche Bedrohung für die Sicherheit sowohl der militärischen als auch der zivilen See- und Luftnavigation dar und verdeutlichen die moderne Abhängigkeit von präzisen GNSS-Einspeisungen, ähnlich wie Kolumbus von seinem Kompass. Die Einstellung des Betriebs ist nicht machbar, und die Umgehung der Störung ist mit hohen Kosten verbunden. Daher müssen die Betreiber auf fortschrittliche Technologien zurückgreifen, die elektronischen Schutz, Funktionen zur Identifizierung von Störsendern und eine präzise Geolokalisierung der Störquellen bieten.

GNSS und GPS: Was ist der Unterschied? Überblick

GPS, die bekannteste GNSS-Satellitenkonstellation, nutzt ein Netzwerk von Satelliten, um Signale zu Empfängern auf der Erde zu senden. Diese Signale, die über die Frequenzbänder L1, L2 und L5 übertragen werden, enthalten hochauflösende Zeitdaten, die für die genaue Bestimmung der Standortkoordinaten unerlässlich sind. Durch Triangulation, bei der die Signale von mindestens vier Satelliten verwendet werden, kann der GPS-Empfänger seine Position genau berechnen. Allerdings kommen diese Satellitensignale, die große Entfernungen zurücklegen, geschwächt auf der Erde an, so dass sie anfällig für Störungen sind. Andere GNSS-Systeme wie das Galileo-System der EU, das russische GLONASS-System, das chinesische Beidou-System, das japanische QZSS-System und das indische IRNSS-System koexistieren mit GPS und bieten alternative Navigationslösungen.

Wie funktioniert die GPS-Störung?

GPS-Störungen sind eine Form der zugeschriebenen Interferenz, bei der Gegner die Kommunikation absichtlich stören. Der Hauptmechanismus besteht in der Unterbrechung der von den GPS-Satelliten übertragenen Signale. Da GPS-Signale sehr schwach sind, wenn sie den Empfänger erreichen, sind sie anfällig für solche Störungen. Ein Oszillator erzeugt ein Hochfrequenzsignal auf derselben Frequenz, auf der auch GPS-Geräte arbeiten. Dieses Signal wird nach einer Verstärkung auf einen Pegel, der die GPS-Signale innerhalb eines bestimmten Bereichs überwältigen kann, über eine Antenne übertragen. Die Anpassungsfähigkeit des Verstärkers bietet Flexibilität in Bezug auf die Reichweite des Störsenders. Durch die übertragenen Störungen wird das Signal-Rausch-Verhältnis am GPS-Empfänger effektiv reduziert, so dass es für das Gerät schwierig oder sogar unmöglich wird, die tatsächlichen GPS-Signale inmitten des Hintergrundrauschens zu erkennen.

GPS-Störungen stören den GPS-Signalempfang, wobei zwei Hauptmethoden zum Einsatz kommen: Blockieren und Spoofing. Blocking-Methoden, einschließlich Continuous Wave (CW) und Narrowband Jamming, verhindern, dass die Empfänger die eingehenden Signale verarbeiten können. Beim CW-Jamming sendet ein Gerät kontinuierlich eine einzige Frequenz oder ein schmales Frequenzband aus und überschwemmt die Empfänger mit unmodulierten Signalen. Beim Schmalband-Störsender hingegen werden bestimmte GPS-Frequenzen in einem präzisen 2-MHz-Bereich angepeilt, so dass die Störung von Nicht-Zielfrequenzen auf ein Minimum reduziert wird. Spoofing, eine weitere Störtechnik, nutzt Modulationsmethoden, um GPS-Empfänger zu täuschen. Das Herzstück aller Störaktionen ist die Steuerschaltung, die verschiedene Komponenten überwacht und die Frequenz des Oszillators und die Leistung des Verstärkers anpasst, um den störsender auf die jeweiligen Anforderungen abzustimmen.

Bei den Modulationstechniken werden Signale verwendet, die den tatsächlichen GPS-Daten ähneln, wodurch das GPS verwirrt wird und echte von falschen Informationen nur schwer zu unterscheiden sind. Zu diesen Methoden gehören Spoofing, bei dem GPS-Geräte durch falsche Standorte getäuscht werden, und komplexe Interferenzen, die die Fähigkeit der GPS-Empfänger stören, das richtige Satellitensignal zu empfangen. Im Gegensatz zu rauschbasierten Techniken, die das GPS überwältigen, beruht die Modulation auf der Übertragung von irreführenden, aber überzeugenden Signalen.

Wo werden GPS-Signale am stärksten gestört?

GPS-Störungen sind seit 2016 weltweit eskaliert, wobei Südkorea, der Suezkanal, Zypern und Israel in den späten 2010er Jahren zu den am stärksten betroffenen Regionen gehörten. Bis 2024 verschärfte sich die Situation vor allem im östlichen Mittelmeerraum, am Schwarzen Meer, in Teilen des Baltikums, in Polen und Skandinavien, die sich zu den weltweit am stärksten gestörten Gebieten entwickelten. Eine Open-Source-Website namens GPSjam nutzt die von Flugzeugen gesendeten ADS-B-Signale, um die Störungsgrade zu visualisieren. Anhand dieser Signale wird das Ausmaß der Störung geschätzt, so dass ein klares Bild der betroffenen Gebiete entsteht. Das Bild vom März 2024, das auf GPSjam verfügbar ist, veranschaulicht den unterschiedlichen Grad der GPS-Störungen: Rot steht für starke, gelb für mittlere und grün für geringe Störungen. Daten für andere Regionen sind noch nicht verfügbar.

GPS-Alternativen sind jetzt unverzichtbar, da GPSjam einen Anstieg der GPS-Störungen meldet, von denen Schifffahrt, Luftfahrt und kritische Infrastruktur betroffen sind. Dieser Trend beunruhigt Versicherer, Behörden und Regierungen. Um sich darauf einzustellen, kehren Schiffskapitäne zur traditionellen Navigation zurück, Piloten verwenden Trägheitsreferenzsysteme, und das Militär diversifiziert mit A-PNT-Lösungen (Assured Positioning, Navigation, and Timing). Dieser Wandel unterstreicht den Bedarf an zuverlässigen Alternativen zu GPS, um die Integrität der globalen Navigation zu gewährleisten.

GPSjam ist zwar ein wirksames Mittel, um die Öffentlichkeit auf Probleme aufmerksam zu machen, bietet aber keine Unterstützung für diejenigen, die von GPS-Störungen betroffen sind. Dazu gehören Streitkräfte ohne gesicherte Positions-, Navigations- und Zeitbestimmung (PNT), z. B. Logistik-, medizinische, Flugplatz- und Kommunikationssysteme. Auch die Betreiber unbemannter Systeme wie UAVs, USVs und UGVs sowie Schiffe und Flugzeuge in GPS-Störungsgebieten sind betroffen. Kritische zivile Häfen und Flughäfen in der Nähe sind ebenfalls gefährdet. Die Opfer müssen diese Gebiete jedoch nicht nur meiden. Sie können proaktiv handeln, indem sie elektronische GPS-Störungsschutzmaßnahmen einführen, vor dem Einsatz eine Risikobewertung durchführen und sogar den Störsender selbst geografisch lokalisieren und seine Position an Militär- oder Polizeikräfte weitergeben.

Können elektronische Schutztechniken GPS-Störungen entschärfen?

Zur wirksamen Bekämpfung von GPS-Störsignalen stellen CRPA-Antennen (Controlled Reception Pattern Antennas) eine echte Alternative zu Standard-GNSS-Antennen dar. Diese phasengesteuerten Antennen sind so konstruiert, dass sie ihre Signalempfangsstrahlen formen und so die störenden Auswirkungen von Störsignalen minimieren und gleichzeitig die Empfangsqualität der GPS-Satellitensignale optimieren. Wenn GPS-Störungen erkannt werden, richten die CRPA-Antennen ihre Strahlen geschickt auf die Satelliten aus und ignorieren die Störsignale effektiv. Erreicht wird dies durch adaptive Strahlformung, bei der sich das Antennendiagramm dynamisch auf die GPS-Satelliten und weg von den Störquellen ausrichtet. Diese Technologie lenkt den Strahl nicht nur so, dass die GPS-Signale verstärkt werden, sondern schafft auch Zonen mit minimaler Empfindlichkeit in anderen Bereichen, wodurch Störungen weiter reduziert werden. Bei missionskritischen Anwendungen wie der Überwachung des Spektrums und der Geolokalisierung wird durch die Integration von CRPA mit RFeye-Knoten von CRFS das Risiko von GPS-Störungen deutlich minimiert und eine ununterbrochene und genaue GPS-Leistung gewährleistet.

Die Beamforming-Technologie verbessert den GPS-Empfang durch Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses, was zu einer stärkeren und zuverlässigeren Leistung führt, selbst in Gebieten mit hoher Störungsaktivität. Dieser Fortschritt wird durch Richtantennen erreicht, die sich auf echte Satellitensignale konzentrieren und eine starke Verbindung zu ihnen aufrechterhalten, wodurch die GPS-Funktionalität verbessert wird. Durch die Erhöhung des Antennengewinns und die gleichzeitige Minimierung des Gewinns für Signale aus anderen Richtungen kann der Empfänger die Satellitensignale besser erfassen und gleichzeitig unerwünschtes Rauschen herausfiltern. Darüber hinaus werden Null-Steering-Techniken eingesetzt, um die Antennengruppe zu manipulieren und eine Zone mit deutlich reduziertem Signalempfang zu schaffen. Dies wird erreicht, indem konstruktive Interferenzen erzeugt werden, um die gewünschten GPS-Signale zu verstärken, während gleichzeitig destruktive Interferenzen erzeugt werden, um die Störsignale zu neutralisieren. Diese Innovationen tragen gemeinsam zu einem robusteren und zuverlässigeren GPS-Erlebnis bei, selbst in schwierigen Umgebungen.

Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Störung auftritt?

Die Einschätzung der Wahrscheinlichkeit einer Störung erfordert einen sorgfältigen Prozess, der über eine schnelle Feststellung hinausgeht. Er erfordert die Erkennung von Störsignalen und deren anschließende Integration mit verschiedenen nachrichtendienstlichen Informationen. Der erste Schritt besteht darin, die Präsenz des Störsenders im Spektrum zu lokalisieren, bevor andere nachrichtendienstliche Mittel wie Overhead-ELINT, IMINT oder COMINT eingesetzt werden. RFeye-Knoten, die mit einem Störungsindikator des u-blox-Chipsatzes ausgestattet sind, geben einen numerischen Wert zwischen 0 und 256 aus, der die Störungsintensität angibt. Dieser Wert wird dann vom CRFS RFeye Mission Manager, einer fortschrittlichen Spektrum-Management-Software, in ein Prozentformat umgewandelt. Diese Konvertierung ermöglicht eine visuelle Darstellung in einem Diagramm, das die prozentuale Störungswahrscheinlichkeit im Zeitverlauf anzeigt und so eine umfassende Bewertung der Störung ermöglicht.