Головна > Теорія > Чому GNSS вразлива і як її захистити

Слабкий сигнал із космосу: чому GNSS вразлива і як її захистити

Супутникова навігація стала невидимою основою сучасної економіки. Розбираємося, які загрози нависли над нею і що з цим робити.

Сигнал слабший, ніж здається

Ми звикли, що смартфон миттєво визначає, де ми перебуваємо, а навігатор безпомилково веде за маршрутом. Але за цією зручністю стоїть крихка фізика. Потужність цивільних сигналів глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS) на вході приймача надзвичайно мала: її можна порівняти з 40-ватною лампочкою, яку розглядають із космосу.

До того ж, на відміну від військових сигналів, цивільні частоти, як правило, не шифруються й передаються відкрито. Це робить їх зручною мішенню: сигнал можна заглушити або підмінити.

Від таксі до 5G: хто залежить від GNSS

Супутникова навігація давно вийшла за межі звичних мап. Вона вбудована в роботу цілих галузей:

Автомобільний транспорт. GNSS використовується в системах екстреного реагування eCall, для моніторингу автопарків, у системах допомоги водієві (ADAS) та в навігації безпілотних автомобілів.
Морський транспорт. Позиціонування суден, оптимізація маршрутів, керування портами та запобігання зіткненням за допомогою Автоматичної ідентифікаційної системи (AIS).
Телекомунікації. Мережі 5G потребують точного часу від GNSS для роботи Massive MIMO, формування променя, зв'язку з наднизькою затримкою та синхронізації мережі.
Точне землеробство. Сантиметрова точність під час автоматичного кермування, картографування полів, сівби та внесення хімічних засобів.
Цивільна авіація. Навігація на основі характеристик (PBN), точні заходи на посадку, спостереження за повітряними суднами та 4D-керування траєкторіями в системах управління повітряним рухом нового покоління.
Держструктури та споживчі пристрої. Координація дій служб громадської безпеки, спостереження за кордонами, екстрене реагування, відстеження обладнання і навіть фітнес-трекери.

Збій навігації в такому середовищі означає не просто неточну мапу, а потенційні ризики для безпеки та бізнесу.

Шість класів загроз

Щоб захищатися, потрібно розуміти, звідки походить небезпека. Загрози для GNSS умовно поділяються на шість груп.

Чинники навколишнього середовища. Точність спотворюють атмосферні ефекти (вплив іоносфери й тропосфери), сцинтиляції під час сонячних бур, які виникають переважно в тропічних і високих широтах, екранування сигналу в міській забудові та всередині приміщень, а також багатопроменеве відбиття в «міських каньйонах».
Радіочастотні завади. Навмисні й ненавмисні завади від сусідніх або позасмугових передавачів здатні заглушити слабкий супутниковий сигнал.
Помилки сегмента й системи. Системні збої трапляються й на рівні самих супутникових угруповань. Приклади: відмова Galileo в липні 2019 року та мікросекундна помилка GPS у січні 2016 року, що призвели до несподіваних збоїв часу й позиціонування.
Радіочастотний спуфінг і меаконінг. Зловмисники за допомогою недорогих компонентів і програмного забезпечення з відкритим кодом або методів ретрансляції випромінюють хибні «супутникові» сигнали. Приймач отримує неправдиві дані про місцеположення й час і не здогадується про обман.
Нерадіочастотні та програмні вразливості. Сюди належать злам (джейлбрейк) операційної системи пристрою, мобільні застосунки, що підставляють підроблені координати, атаки «людина посередині», несанкціонований доступ до даних позиціонування, навігації та часу (PNT) і логічні помилки в ПЗ, наприклад під час обробки додаткової секунди (leap second).
Помилки користувача. Надмірна довіра до навігаційної системи без звірки з візуальною обстановкою та показаннями інших датчиків призводить, наприклад, до того, що транспорт виїжджає на заборонені маршрути.

З чого почати: оцінка ризиків

Організаціям, які розробляють системи на основі GNSS, важливо передусім точно визначити, наскільки дані про положення й час критичні для роботи системи загалом.

Оцінка ризиків має відповісти на кілька запитань:

наскільки сильно користувачі залежать від цих даних;
яка ймовірність виникнення конкретних загроз;
як система поведеться в разі збою та під навантаженням;
до яких наслідків для бізнесу та безпеки це призведе.

Як захиститися: технічні заходи

Єдиного рішення не існує, але набір перевірених заходів дає змогу суттєво підвищити стійкість.

Архітектура приймача. Багаточастотні та багатосистемні приймачі помітно краще протистоять глушінню, спуфінгу й втраті сигналу через затінення.

Удосконалені антени. Поліпшення конструкції антени підвищує якість прийому. Передові військові системи застосовують багатоелементні антени з формуванням променя, які підсилюють корисні сигнали та пригнічують завади.

Резервні джерела PNT. До системи можна додати альтернативні джерела даних: датчики лічби шляху, позиціонування за стільниковими мережами та Wi-Fi, assisted GPS, а також наземні регіональні системи доповнення, такі як eLoran, WAAS та EGNOS.

Контроль цілісності та обробка сигналу. Усередині приймача аномальні й підроблені сигнали відсіюються за допомогою автономного контролю цілісності (RAIM), диференціальної GPS, порівняння з опорними станціями RTK і цифрової обробки сигналу.

Шифрування. Авторизовані користувачі критичної інфраструктури та військові можуть використовувати захищені сервіси, наприклад Public Regulated Service (PRS) системи Galileo або Precise Positioning Service (PPS) американської GPS.

Висновок

Супутникова навігація надійна рівно настільки, наскільки надійний її найслабший сигнал. Загрози різноманітні: від сонячних бур і помилок у коді до цілеспрямованого спуфінгу. Тому захист має бути багаторівневим: тверезе оцінювання ризиків, сучасна архітектура приймачів, резервні джерела даних, контроль цілісності та, де це доречно, шифрування. А користувачам варто пам'ятати просту річ: навіть найточнішій навігаційній системі не варто довіряти наосліп, а її показання корисно звіряти з тим, що видно навколо.