Глобальные системы спутникового позиционирования: архитектура, уязвимость, альтернативы

Электроника и софт
Следующая статья

Водомерка на подвеске. О концепте тендера на подводных крыльях Futur-E

Предыдущая статья

Что тебе подарить, человек мой дорогой?

Глобальные системы спутникового позиционирования (GNSS) невероятно удобны и в то же время весьма уязвимы. Разбираемся в том, чем чреват их отказ, что такое джамминг и спуфинг и какие альтернативы спутниковой навигации в море существуют.

Привычка — страшная сила. Неограниченная возможность бесплатно пользоваться GNSS настолько глубоко вошла в наш быт, что обычные люди уже с трудом представляют, как выглядела бы их жизнь без этого всегда доступного помощника. Предлагаю немного пофантазировать.

Вообразите, что однажды вы проснулись и обнаружили сообщение от охранной системы с предупреждением, что ваша яхта находится за несколько тысяч миль от марины, в которой вы оставили ее накануне. Полагаю, вы не поддались панике, ведь в яхт-клубе вас хорошо знают и присматривают за вашей лодкой, как за своей. Да и как 30-метровое судно за ночь может переместиться на другой конец Европы?! Однако, позавтракав, вы все же решаете доехать до марины, тем более что погода хорошая и можно дойти до соседней бухты.

Добраться в порт оказывается неожиданно сложно: машин на дорогах больше обычного, по какой-то причине они едут медленно и останавливаются в неподходящих местах. Бывает, думаете вы, мало ли что… Ваша яхта, разумеется, стоит там, где должна, но вас удивляет столпотворение в акватории марины: такое впечатление, что все ждут смельчака, который решится первым выйти по узкому извилистому фарватеру на открытую воду. Понемногу затор рассасывается, но яхты далеко не расходятся, а встают на якорь в зоне прямой видимости. Вы звоните друзьям и предлагаете им провести день вместе. Те просят прислать координаты, но у вас не получается: смартфон не только не может определить ваше местоположение, но показывает какое-то странное время и неверную дату. Тут вас осеняет, и вы понимаете, что виной всему — неработающая навигация. Стараясь не паниковать, вы все еще надеетесь выйти в море и начинаете перебирать в голове возможные затруднения, с которыми придется столкнуться. Вслепую идти страшно, так как можно наскочить на банку, коих в этих водах множество, а случись что, аварийные системы не передадут спасателям координаты тонущего судна или человека за бортом. Можно забыть про умные системы швартовки вроде DockSense и уж точно нельзя оставить яхту на якоре и отправиться на тузике в ресторан: если судно покинет заданную геозону, сигнализация не сработает. Вы даже не сможете точно определить, с какой скоростью движется ваша лодка!

А еще не получится купить свежую рыбу на рынке, так как все рыболовные суда остались у причалов — не смогли выйти на точки лова. Да и вообще с продуктами возникнет проблема: полки супермаркетов стремительно опустеют из-за того, что товары не прибыли вовремя. Паника в городе продолжит нарастать, и вы поймете, что лучше вернуться домой. На выезде из марины к тому времени уже образуется пробка, а попытка вызвать такси не даст результата. Город захлебнется в транспортном коллапсе, где службы спасения пытаются найти пострадавших и помочь им. Добравшись наконец до дома, вы поймете, что часть его умных функций не работает, как не работает телевизионное вещание, мобильный и городской телефоны…

Сценарий в чем-то апокалиптический, но именно так могут развиваться события, если глобальные спутниковые системы позиционирования внезапно перестанут работать из-за технического сбоя или намеренно созданных помех. Примеры известны: 2 апреля 2014 года все 24 спутника ГЛОНАСС одновременно вышли из строя на 11 часов, а спустя две недели был еще один серьезный сбой, когда восемь спутников отказали на полчаса, а девятый так и не заработал. Чтобы не допустить коллапса критически важной инфраструктуры, многие страны своими силами или в коалициях работают над созданием альтернативных PNT-систем, а также ищут способы защиты GNSS от искусственных помех и ложных сигналов.

Архитектура GNSS

Сегодня в мире работают четыре глобальные системы позиционирования: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), BeiDou (Китай) и Galileo (Евросоюз). Их навигационные спутники расположены на средних околоземных орбитах
(20−22 тыс. км над уровнем моря) с орбитальным периодом около 12 часов. Над поверхностью планеты они движутся довольно быстро (орбитальная скорость порядка 14−15 тыс. км/ч), поэтому скорость движения вашего приемника сигнала для работы GNSS не имеет значения — она все равно относительно мала, будь то морское или воздушное судно. Чтобы построить глобальную систему с хорошим покрытием, всего требуется 24−30 спутников, которые можно по-разному распределить по орбитальным плоскостям. Например, у GPS шесть плоскостей, на каждой из которых находятся по четыре спутника, тогда как у остальных GNSS по три орбитальные плоскости с восемью‑десятью спутниками.

Другое принципиальное различие между системами кроется в модуляции радиосигнала. Так, ГЛОНАСС использует разные частоты для каждого спутника, тогда как в остальных GNSS задействована кодовая модуляция. Координирует работу GNSS международный комитет (The International Committee on Global Navigation Satellite Systems), который является частью ООН; его участники добровольно вносят свой вклад в развитие навигационных систем и улучшают их совместимость для гражданского применения.

Схема околоземных орбит и положения группировок спутников

Помимо глобальных, существуют также региональные спутниковые навигационные системы (RNSS). Например, до появления BeiDou над Китаем работала региональная группировка спутников Compass, расположенных на близких к геостационарной орбитах. Похожая система есть в Индии (IRNSS, Indian Regional Navigation Satellite System) и Японии (QZSS, Quasi-Zenith Satellite System, четыре спутника). Задача последней — дополнять GPS в регионе за счет улучшения доступности сигнала в городских «каньонах», повышать точность и надежность навигации. IRNSS, которую после запуска переименовали в NAVIC (NAVigation with Indian Constellation), включает восемь спутников и, в отличие от QZSS, способна обеспечить независимую навигацию в регионе.

Наконец, GNSS дополняют спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS, Satellite Based Augmentation System), призванные повысить точность сигнала за счет использования геостационарных спутников и наземных базовых станций мониторинга (RIMS).

Уязвимости GNSS

Глобальные спутниковые системы позиционирования оказываются уязвимыми не только перед не зависящими от человека факторами, среди которых солнечная активность, мерцание радиосигнала, атмосферные явления, сегментные ошибки (сбои в часах и положении спутников) и ошибки из-за многократного отражения сигнала. За последнее десятилетие резко возросло количество атак на сигналы GNSS, среди которых превалирует создание преднамеренных радиопомех (джамминг) и трансляция ложного сигнала (спуфинг). Поскольку подобные атаки опасны и непредсказуемы, европейское агентство по GNSS запустило проект STRIKE3, в рамках которого спроектировали, развернули и эксплуатируют международную систему мониторинга помех GNSS с единой базой данных. Она необходима для того, чтобы хорошо понимать сцены атак, смягчать последствия помех и научиться защищать критическую инфраструктуру, которая далеко не ограничивается транспортом. Оборудование STRIKE3 установили на 50 площадках в 21 стране (России и США среди них нет, зато есть Канада, Новая Зеландия, Япония и несколько азиатских стран). Антенны и приборы для обнаружения помех размещали в аэропортах и рядом с наземными системами контроля и коррекции, в центрах крупных городов, в портах, на электростанциях и автомагистралях, в банках, на пограничных переходах и железнодорожных станциях. Задействованное оборудование позволяет определить, на какой частоте и с какой мощностью работает один или несколько джаммеров, а последующая аналитика оценивает влияние помех на точность позиционирования.

За три года (2016−2019) в базе данных STRIKE3 появилось более полумиллиона записей, около 70  000 из которых пришлось на преднамеренные радиопомехи. Исследователи обнаружили 7326 «глушилок» разной мощности, нацеленных именно на частоты GNSS, при этом среди них оказались и мобильные варианты, которые засветились на разных контрольных площадках.

Зарегистрированные случаи предполагаемых помех для GPS (по данным ASRS)

Оказавшись в зоне работы джаммеров, суда не могут определить свою позицию с помощью GNSS, или она оказывается неточной, что сводит на нет пользу от автоматизированных систем предотвращения столкновений. Подобных случаев описано немало, и с 2011 года их число постоянно растет. Для создания помех на ограниченной площади, например в порту или марине, злоумышленникам достаточно приобрести одно или несколько устройств, которые есть в свободной продаже. Простейший «бытовой» джаммер, работающий от порта USB или гнезда прикуривателя, можно свободно купить меньше чем за сотню долларов, а более серьезное многодиапазонное устройство обойдется в $ 2000−3000.

Со спуфингом — передачей ложного GNSS-сигнала — еще недавно дела обстояли сложнее, но появление технологии SDR в корне изменило ситуацию. Прежде для создания спуфера требовались специальные знания и специфическая элементная база, однако теперь в открытом доступе появились электронные компоненты, инструкции и программное обеспечение, поэтому компактное устройство с эффективным радиусом действия 50 м на базе Raspberry Pi стоимостью около $ 250 может собрать даже сообразительный старшеклассник.

Не зависящие от человека уязвимости GNSS

Источник Описание Область воздействия Влияние на пользователя
Солнечная буря Электромагнитные помехи от солнечных вспышек и другой
активности Солнца, которые «глушат» сигналы со спутников
в космосе
Большие географические области в периоды
интенсивной солнечной активности
Потеря сигнала или ошибки измерения дальности, влияющие
на точность определения местоположения и времени
Мерцание радиосигнала Сигнал со спутников преломляется и дифрагируется в космосе из-за
неравномерной ионосферной активности
Влияние мерцания радиосигнала наиболее
выражено в тропических и высоких широтах
Влияние на приемник может включать неточное
определение местоположения
Затенение В зоне видимости недостаточно спутников, чтобы обеспечить точное
позиционирование. Строения или другие объекты затеняют антенну приемника
Происходит в основном в помещениях, под землей,
в зонах плотной застройки,
в лесу, в каньонах и глубоких расселинах
Потеря сигнала или ошибки измерения дальности,
влияющие на точность определения местоположения
Многократное отражение Прежде чем достичь приемника, сигналы от одного или нескольких спутников
отражаются от расположенных рядом объектов
Обычно случается в городских каньонах,
где улицы застроены
высокими застекленными зданиями
Ошибки измерения дальности, влияющие на точность
определения местоположения

Примеров масштабного спуфинга в действии тоже достаточно. Жители Санкт-Петербурга, возможно, помнят историю от 27 декабря 2016 года, когда автомобильные навигаторы вдруг массово «перенесли» водителей из центра города в окрестности аэропорта Пулково. В сентябре 2017 года больше 20 судов в одном из регионов Черного моря сообщили о помехах в приеме GPS-сигнала (снижение точности) и неверно определенном местоположении (ошибка составила порядка 20 миль). В том же месяце на конференции Института навигации в американском Портленде свыше сотни смартфонов внезапно «отправились» через океан в прошлое: время на них откатилось на 12 января 2014 года, а навигаторы сообщали, что устройства находятся где-то в Европе. Интересно, что некоторые смартфоны вернулись в норму через несколько минут, тогда как другим понадобились часы, а по меньшей мере один вообще превратился в «кирпич», причем его так и не удалось восстановить. Проведенное расследование показало, что на выставочном стенде одного из участников произошла непреднамеренная утечка высокочастотного излучения…

В прошлом году в районе порта Шанхая многие суда подверглись странному спуфингу: ложный сигнал GNSS расположил их координаты в виде правильных кругов на берегу реки. Это первый случай такого сложного спуфинга, источник которого до сих пор даже не определен, хотя некоторые спекуляции связывают атаку с действиями пиратов или тех, кто хотел повлиять на ситуацию с эмбарго иранской нефти. Тот факт, что источник ложного сигнала был не в центре кругов, говорит об использовании комплексного оборудования, которое доступно или властям, или организованным преступным группировкам.

Зависящие от человека уязвимости GNSS

Источник Описание Распространенность Влияние на пользователя
Неверная установка и настройка Антенна устройства установлена так, что не может получать чистый
сигналсо спутников, или сопряжена с неподходящим
приемником, что может вызвать утечку на высоких частотах,
которая похожа на источник помех
Встречается широко; может быть связана с ущербной конструкцией прибора или с тем,
что неподвижные антенны оказались в тени высотных зданий,
недавно построенных неподалеку
Неоптимальный сигнал со спутников может приводить к тому,
что приемник не способен точно определить местоположение и время.
Утечки на ВЧ могут вызывать полную потерю сигнала
Постановка помех (джамминг) Преднамеренно созданные помехи глушат сигналы спутников Встречается часто. Причиной джамминга в основном выступают
«устройства для обеспечения неприкосновенности частной жизни»
(но не только они), которые ставят на транспортные средства, чтобы предотвратить
слежку за их перемещением. Число случаев незаконного использования подобных устройств
значительно выросло
Потеря сигнала (если «глушилка» блокирует все сигналы спутников) или ошибки
измерения дальности, влияющие на точность определения местоположения и времени
(если GNSS- приемник находится на границе зоны действия джаммера)
Ложный сигнал (спуфинг) Ложные спутниковые сигналы транслируются с целью убедить
пользователя в том, что он находится в другом месте и в другое время.
Отложенная во времени подмена сигнала
используется для искажения пеленга
Прежде спуфинг был мало распространен из-за технической сложности, но сейчас
в доступе появились недорогие компоненты и программное обеспечение,
из которых легко собрать рабочее устройство
Ложные данные о местоположении и времени, представляющие критическую опасность
для автоматизированных систем, которые полагаются на точные данные GNSS.
Искажение пеленга может обманывать системы аутентификации
и шифрования сигнала
Взлом или кибератаки Манипуляции с программным обеспечением устройства с тем,
чтобы заставить его иначе интерпретировать получаемые
со спутников данные, или злонамеренный перехват/подмена
данных на выходе из GNSS-устройства
Широко встречается на персональных устройствах вроде смартфонов и планшетов.
Разлóчив операционную систему, пользователь устанавливает приложение,
позволяющее вручную подменять данные GPS-приемника
для выбранного приложения. Сходные манипуляции можно проводить с данными AIS на борту
Навигационная программа отображает ложные координаты и время,
что создает критическую опасность для автоматизированных систем,
которые полагаются на точные данные GNSS.
DoS- и DDoS-атаки (типа «отказ в обслуживании»)
Внешние радиопомехи Шум от расположенных неподалеку
(внутри или снаружи устройства) радиопередатчиков
создает помехи для сигналов со спутников
Встречается в зонах с повышенным уровнем радиочастотного шума
(например, рядом с вышками сотовой связи)
или в устройствах, где GNSS- приемник плохо экранирован от других компонентов
Потеря сигнала (если передатчик блокирует все спутниковые сигналы)
или ошибки измерения дальности, влияющие на точность определения местоположения
(если приемник находится на границе зоны действия передатчика)
Ошибка пользователя Пользователи чрезмерно полагаются на получаемые данные GNSS,
игнорируя очевидный здравый смысл и показания
других навигационных систем
Очень частый сценарий, который имеет место в ситуациях,
когда пользователи слепо доверяют своим навигационным системам
Приводит к принятию ошибочных и зачастую критически опасных решений

Спуфинг пока менее распространен по сравнению с джаммингом, но приемы «обмана» GNSS-приемников постоянно находят новое применение и, например, часто используются для борьбы с дронами. Если рассматривать спуфинг в качестве инструмента для хакеров, то он наверняка окажется полезным при разработке сложных алгоритмов социальной инженерии, когда злоумышленник пытается заставить капитана действовать определенным образом. Помимо передачи ложного сигнала, у хакеров существуют более хитроумные способы осуществления незаметных атак на низкоуровневые электронные компоненты GNSS, к примеру, через модификации прошивок, которые трудно выявить без визуального осмотра прибора или глубокого криминалистического анализа.

Как защититься?

Лучшая защита от помех и ложного сигнала — это максимальное дистанцирование от их источника, что возможно не всегда. Самолеты, например, могут сменить эшелон на более высокий (при условии, что источник помех на земле), а на суше помогает заглубление в грунт, но у судов таких возможностей нет. Использование мультисистемных GNSS-приемников с алгоритмами фильтрации помех — полумера, так как современные джаммеры тоже, как правило, многочастотные, а фильтрация снижает качество полезного сигнала.

Более эффективной мерой защиты от помех являются различные способы разнесения сигнала: временнóе, пространственное или частотное, — которые используются в адаптивных антенных решетках. Изделия вроде Orolia 8230AJ GPS/GNSS Anti-Jam Outdoor Antenna, NovAtel GAJT‑710MS Anti-Jam Antenna и Raytheon Landshield изначально разработаны для нужд военных и числятся в списках товаров двойного назначения, однако не исключено, что скоро на рынке появятся их гражданские аналоги. Стоит отметить, что подобные антенны бессильны против спуфинга, поэтому капитану и штурману всегда необходимо быть начеку, руководствоваться здравым смыслом и уметь пользоваться хотя бы двумя альтернативными методами навигации.

Альтернатива GNSS

Сегодня мировой флот насчитывает десятки тысяч коммерческих судов и миллионы прогулочных. С 1960-х годов грузовые суда выросли в размерах почти на порядок, а их число за последние 15 лет удвоилось. Неуклонно повышается и количество навигационных опасностей: на шельфе тысячами «высаживают» ветрогенераторы, развивается марикультура; появляются закрытые для навигации зоны, которые хорошо отрисованы на карте, но границы которых порой не так просто определить в море. Наконец, постепенно формируется флот беспилотных судов, которые всецело зависят от GNSS. Отсюда местами на воде становится слишком тесно, причем ситуация постоянно усложняется, и для безопасного движения в море необходимо повышать надежность бортовых навигационных систем.

«Всецело полагаться на космические системы позиционирования опасно, так как рано или поздно с ними возникнут проблемы, — говорит Дана Говард, президент фонда Resilient Navigation and Timing. — Такие страны, как Россия, Китай, Южная Корея, Иран и Саудовская Аравия, хорошо понимают это и разработали наземные системы PNT (Positioning, Navigation and Timing). Первое правило хорошего штурмана — использовать все доступные инструменты для определения местоположения, и сегодня в нашем распоряжении гораздо больше разных инструментов, чем тот набор, которым мы пользуемся. Однако для введения в эксплуатацию альтернативных инструментов нужны политическая воля и экономическая поддержка».

Прогнозы оценивают прямой ущерб судоходству Великобритании в случае отказа GNSS на пять дней в миллиард фунтов, тогда как общий ущерб при этом превысит £ 5 млрд. Косвенные потери окажутся еще больше, ведь, помимо прочего, на GNSS завязана безопасность. Неудивительно, что власти задумываются об альтернативных PNT-системах, которые смогут заменить GNSS в случае отказа последних или в тех местах, где они недоступны.

Сравнение PNT-систем по разным наборам требований

Набор требований 1 2 3 4 5 6
Точность (95%), м 1000 100 100 10 10 10
Уровень надежности (риск 10-4), м 2500 250 250 25 25 25
Расстояние от берега, км любое < 100 любое < 10 < 100 любое
GNSS да да да да да да
Дифференциальная eLoran нет да прим. 1 да прим. 3 нет
Дифференциальная eLoran + VDES R-mode нет да прим. 1 да прим. 3 нет
eLoran нет да прим. 1 нет нет нет
eLoran + VDES R-mode нет да прим. 1 нет нет нет
MF, VDES или VDES R-mode нет прим. 1 нет нет нет нет
Когерентная РЛС + навигационное счисление нет нет нет прим. 2 нет нет
Навигационное счисление

в течение 15 мин

да да да нет нет нет
Навигационное счисление

в течение трех часов

да нет нет нет нет нет
Навигационное счисление + автоматический секстан

да нет нет нет нет нет

Примечание 1: Достичь такого уровня покрытия теоретически возможно, но не практично.

Примечание 2: Зависит от зрелости технологии.

Примечание 3: Требования удовлетворяются на расстоянии до 30 км от берега, но не в диапазоне 30−100 км.


В связи с этим Европейское космическое агентство в рамках программы NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme) запустило проект MARRINAV, который направлен на изучение уязвимостей, нарушающих устойчивость и целостность GNSS-навигации в море. В число его участников входит Университет Ноттингема, UK General Lighthouse Authorities и такие компании, как NLA International, BMT и Terra Fix. Примечательно, что всесторонние отчеты MARRINAV выложены в открытом доступе на сайте проекта для всех желающих с ними ознакомиться.

Дублирующие системы

Итак, какие инструменты могут заменить GNSS в море? На глобальном уровне уже работает система STL (Satellite Time and Location), разработанная американской компанией Satelles для «защиты» GPS. Она использует 66 спутников Iridium, которые расположены на низких околоземных орбитах и транслируют независимый от GPS мощный сигнал (на три порядка сильнее), который хорошо проникает в помещения. В STL используется допплеровский эффект, что усложняет создание помех и спуфинг, а также позволяет использовать криптографическую защиту информации. STL способна обеспечить независимую навигацию или может дополнять GPS, когда, например, в зоне видимости недостаточно спутников. Точность позиционирования здесь ниже (15−20 м для неподвижного объекта, чуть хуже — для движущегося), но это компенсируется тем, что STL работает в сложных условиях, где GNSS недоступны.

Другой возможный вариант — основанная на проверенной временем технологии региональная система eLoran, в которой используется длинноволновая, устойчивая к помехам наземная передача мощного сигнала с цифровой обработкой. eLoran способна обеспечить точность позиционирования в пределах 10 м в портах и в пределах 30 м в море, однако, по словам Сергея Губернаторова, генерального директора компании SSG Navigation, данное решение неприменимо на внутренних водных путях России. «Во-первых, это потребует развертывания и обслуживания большого количества цепочек береговых излучающих и контрольно-корректирующих станций с подводом электроэнергии, — говорит Сергей Губернаторов. — Во-вторых, заявленная точность наблюдений изменяется в значительных пределах (20−560 м) даже в дифференциальном режиме, что в большинстве случаев не будет удовлетворять требованиям инструментальной навигации в узкости. Наконец, технология eLoran разработана и полностью контролируется компаниями, расположенными в юрисдикциях, зависимых от НАТО».

В США сейчас идут разговоры о воскрешении и модернизации отключенной десять лет назад системы Loran, которая может стать надежным дублером GPS, хотя Сергей Губернаторов сомневается, что их станут восстанавливать ­— они взрывали свои антенные поля Loran-C в прямом эфире. Любопытно, что оценочная стоимость развертывания eLoran на существующей инфраструктуре в США составляет всего около $ 400 млн — меньше, чем тратится на проектирование, строительство и запуск одного спутника GPS.

В России давно и хорошо работает аналог Loran — система под названием «Чайка», которая обеспечивает навигацию в море, однако для обширных внутренних акваторий России она опять же не годится. На реках радионавигационные системы не эффективны: из-за многократного пересечения радио-волнами подстилающей поверхности с различной электромагнитной проницаемостью точность позиционирования останется в пределах 150−200 м и ниже.

Автоматическое определение координат судна по известным ориентирам с помощью РЛС

Для локального позиционирования, в том числе на реке, потенциально подойдет VDES Ranging Mode (VHF Data Exchange System, точность от 10 до 100 м в зависимости от близости базовых станций AIS), но гораздо более перспективен способ автоматического определения координат судна по радиолокационным ориентирам (Radar Absolute Positioning). Он не требует участия человека для опознания береговых ориентиров и выполнения измерений и обеспечивает точность до 10 м на расстоянии до 12 миль в случае использования когерентной РЛС и минимум двух отражателей. Эта запатентованная методика подразумевает вычисление местоположения судна и поправки курсоуказателя путем автоматического группового опознавания радиолокационных целей, соответствующих картированным радиолокационным ориентирам с известными географическими координатами (радиомаяки, активные и пассивные отражатели).

Еще можно упомянуть австралийскую автономную PNY-систему Locata, которую позиционируют в качестве GPS 2.0. В ее основе лежат наземные синхронизированные приемопередатчики, которые выступают в роли «псевдоспутников» и формируют единую сеть, дополняющую или замещающую GPS. Наконец, рано окончательно списывать со счетов инерциальную навигацию и традиционное навигационное счисление. А вы еще помните, что это такое?

Наземные «псевдоспутники» Locata могут обеспечить дублирование GNSS-навигации в прибрежных акваториях

Дата:

07.12.2020

Текст

Антон Черкасов-Нисман

Иллюстрации

Royal Institute of Navigation, MarRINav, Wikipedia (Cmglee)

Следующая статья

Водомерка на подвеске. О концепте тендера на подводных крыльях Futur-E

Предыдущая статья

Что тебе подарить, человек мой дорогой?

Новые материалы
Похожие статьи