Статья:

О некоторых подходах в борьбе с уязвимостью навигационных систем

Конференция: XLII Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Юакит А.А. О некоторых подходах в борьбе с уязвимостью навигационных систем // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. XLII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 7(42). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/7(42).pdf (дата обращения: 19.08.2022)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

О некоторых подходах в борьбе с уязвимостью навигационных систем

Юакит Артем Александрович
студент, сотрудник, Академия ФСО России, РФ, г. Орел
Лисичкин Владимир Георгиевич
научный руководитель, д-р. техн. наук, доц., сотрудник, Академия ФСО России, РФ, г. Орел

 

Аннотация. В данной статье рассматриваются актуальные вопросы защиты навигационных спутниковых систем от различного рода помеховых атак, проводимых с целью затруднить или сделать невозможным точное определение местоположения пользователя ГНСС.

 

Ключевые слова: Навигационные спутниковые системы, помехи, уязвимости.

 

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) предназначены для определения местоположения в любой точке земной поверхности с применением различных навигационных или геодезических приемников. Первая ГНСС была разработана в США, предназначалась для военных целей ВВС страны и получила название GPS (Global Positioning System). В настоящее время наиболее распространенными являются системы GPS и ГЛОНАСС.

В общем случае процесс определения координат с использованием навигационных спутниковых систем заключается в следующем. В памяти навигационного приемника хранятся данные о координатах спутников, как об орбитах всей группировки (альманах), так и о каждом конкретном спутнике (эфемериды). Задача приемника состоит в приеме, расшифровке закодированного сигнала и определении типа конкретного спутника, от которого передан этот сигнал.

Достоверность определения координат с помощью ГНСС зависит от множества показателей: точность работы приемника, качество обработки навигационных сигналов, учет влияния различных мешающих факторов естественного происхождения (эффект Доплера, многолучевость распространения сигналов, атмосферные помехи), или специально созданных помеховых сигналов. Влияние помех усугубляется тем, что спутники ГНСС располагаются на высоких орбитах, энергетика ограничена и спутниковый сигнал довольно слабый, поэтому является достаточно уязвимым для естественных помех или постороннего вмешательства.

Наиболее значимыми уязвимостями навигационных спутниковых систем являются, во-первых, относительная легкость искусственного зашумления спутникового сигнала, поскольку он поступает на вход приемника значительно ослабленным, а большинство навигационных приемников не отличаются особой избирательностью. Поэтому искусственно созданный шумоподобный сигнал, наложенный на менее мощный сигнал от спутника ГНСС, может нарушить правильную работу приемника или вообще сделать прием невозможным. Во-вторых, значительной актуальностью обладает уязвимость, обусловленная возможностью создания помехи, имитирующей навигационный сигнал и искажающей информацию о местоположении пользователя системы.

Первый вид уязвимости, заключающийся в подавлении слабых сигналов с навигационных спутников более мощным маскирующим радиосигналом, разрушающим навигационное поле ГНСС, может быть легко преодолен с помощью, например, корреляционной обработки. Кроме того, постановка мощных заградительных помех наносит значительный вред и собственным радиосистемам условного противника.

Наибольшую опасность для современных навигационных систем представляют имитационные помехи. Сигналы ГНСС – это по большей части сигналы с открытым доступом, широко используемые гражданскими клиентами для определения собственного местоположения. Открытость их стандартов, опубликованных в сети Интернет, с одной стороны приводит к стремительному развитию устройств ГНСС и их распространению на рынке, но оборотной стороной такой открытости является относительная простота и доступность получения имитационных помех.

Одним из примеров применения такого рода помех заключается в том, что на земных станциях создаются радиосигналы, имитирующие спутниковые сигналы GPS, и постепенно отправляются пользователям, начиная с небольших мощностей, чтобы запутать пользователей и убедить их принимать ложные сигналы взамен настоящих. Имитационные помехи должны иметь сложную структуру, в точности повторяющую реальные сигналы, но с теми или иными внесенными изменениями. Именно эти изменения, не распознаваемые приемной аппаратурой, и заставляют навигационные процессоры выдавать ложные данные о местоположении объектов навигации. Такие помехи еще называют интеллектуальными.

В настоящее время имитационные или интеллектуальные помехи могут не только вызывать утрату позиционирования, но и специально отправлять ложные координаты. Существует так называемый спуфинг – это «умная» форма радиопомех, попросту «подмена» навигационного сигнала с враждебными целями, которая заставляет приемник пользователя принимать решение, что он находится в нужном месте. Чтобы обмануть GPS на некоторой конкретной частоте, нужно имитировать работу спутника, выдавая его временные и пространственные координаты. Хакеры научились этому довольно давно. Есть даже готовые программно-аппаратные комплексы от именитых фирм, позволяющие манипулировать приемниками. Заметить такую подмену гораздо сложнее, чем обнаружить шумоподобный подавляющий сигнал, что делает имитационную помеху только опаснее. Во время такой атаки радиопередатчик, который располагается поблизости, посылает в приемник аппаратуры поддельные навигационные сигналы.

Для борьбы со спуфинг-атаками приемники ГНСС должны уметь выделять ложные сигналы из смеси аутентичных и поддельных сигналов. После того как спутниковый сигнал помечен как поддельный, он может быть исключен из расчета позиционирования. Передовые технологии подавления помех используют алгоритмы обработки сигналов для регистрации спуфинга путем обнаружения различных аномалий в сигнале. Например, поддельный сигнал обычно является более мощным, чем подлинный сигнал ГНСС. На основе знания реальных уровней мощности сигнал и фактических навигационных данных можно идентифицировать такой сигнал как «неаутентичный». Также можно воспользоваться одним из достоинств ГНСС приемников – мультисистемность. Избавиться от имитационных сигналов можно путем установки приоритета для каждой навигационной системы. После обнаружения поддельного сигнала система отдает приоритет другой навигационной системе, тем самым пропуская мимо вредоносные сигналы.

Еще один способ, который кроме защиты от подделки также может обеспечить более устойчивый прием навигационных сигналов, основан на использовании многоантенных конфигураций приемника и технологии формирования луча (так называемый beamforming). Эта комбинация не только отсеивает помехи и интерференции, но и позволяет определить направление, откуда пришел сигнал. При таком подходе отличить подделку от настоящего спутникового сигнала будет легче.

Наиболее эффективным и надежным способом повышения устойчивости навигационных систем является резервирование. Принцип резервирования заключается в возможности переключения между различными спутниками, тем самым полностью игнорируя поддельный сигнал. На данный момент применяется технология моделирования нескольких созвездий и многочастотности (MCMF), позволяющая переключаться между четырьмя группировками спутников и четырьмя различными частотами, перенастраивать сигнал или запрещать вредоносные сигналы.

Современные спутники могут излучать весь ансамбль навигационных радиосигналов, как с частотным, так и с кодовым разделением, чтобы приемник мог сравнить их и вычесть помехи. Кроме того, мощность сигнала в современных ГНСС на порядок выше, поэтому его сложнее заглушить. В случае военных действий можно будет создавать на поле боя локальную сеть из наземных синхронизированных квазиспутников.

Таким образом, варьируя основные принципы защиты ГНСС – устойчивость и резервирование, можно существенным образом повысить надежность и достоверность работы современных навигационных систем.

 

Список литературы:
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Изд. 4-е, переработанное. Под ред. В.Н. Харисова и А.И. Перова. – М. Радиотехника, 2010.
2. Харисов В.Н., Аникин А.Л., Оганесян А.А. Статистический анализ характеристик помехоустойчивости алгоритма глубокой интеграции приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков. – М. : Радиотехника (Журнал в журнале), № 7, 2005 г.