Detektion und Lokalisierung von GNSS Störsendern zur Sicherung

Detektion und Lokalisierung von GNSS
Störsendern zur Sicherung kritischer
Infrastruktur im Alpenraum
Sascha M. Bartl
TeleConsult Austria GmbH
AHORN 2015
26. November 2015, Wildhaus (CH)
GAIMS-2
GNSS Airport Interference Monitoring System
Austrian space applications programme (10th call)
April 2014 Jänner 2016
Ziele:
Zuverlässige Detektion und Klassikation von Störsendern
Lokalisierung von GNSS Jammern
Kombination verschiedener Algorithmen (Zuverlässigkeit)
Konsortium:
TeleConsult Austria GmbH
Frequentis AG
Brimatech Services GmbH
Das Projekt GAIMS-2 wurde durch das BMVIT, vertreten durch die FFG,
im Rahmen des österrreichischen Förderprogramms ASAP gefördert.
2
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Problemstellung
3
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
GNSS Anwendungen
(P. Berglez)
4
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Störungen:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Mehrweg
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Störungen:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Mehrweg
Refraktion
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Störungen:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Mehrweg
Refraktion
Atmosphäre
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Störungen:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Mehrweg
Refraktion
Atmosphäre
Störsender
Problemstellung
Mögliche Störungen von GNSS Signalen
Probleme:
Die Zahl der beabsichtigten Störungen von
GNSS Signalen nimmt aktuell stark zu!
niedrige
Leistung
thermisches
Rauschen
Störungen:
5
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Mehrweg
Refraktion
Atmosphäre
Störsender
GNSS Störsender
Jammer
Charakteristik
erhöhtes Rauschen
verdrängt das Nutzsignal
Angebot an Jammern
Low-cost
Middle-class
High-end
Bekannte Störungen
6
Newark
Kaohsiung
Graz
S. Bartl
(www.jammer4uk.com)
(www.handyblocker.to)
(www.jammer-store.com)
Der Betrieb von Jammern ist
in der gesamten EU illegal!
AHORN 2015
26.11.2015
GNSS Störsender
Spoofer
Charakteristik
Verfälschung der Messungen durch Aussenden falscher Signale
Gezielte Störung eines bestimmten Empfängers/Nutzers
Entwicklung
(Noch) nicht kommerziell verfügbar
Aktueller Forschungsschwerpunkt (zB. University of Texas)
Gefahrenpotenzial
GNSS Empfänger können durch Spoofer signikant und gezielt
gestört werden, ohne dies zu bemerken!
7
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion
8
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Signal-Rausch Verhältnis
Verhältnis von Signalstärke zu Rauschen pro Frequenz:
C /N0 [dB-Hz] =C − (N − B)
C ...
Leistung des Trägersignals
N ...
Rauschen
B ...
Bandbreite
Detektion
9
Nominale Sendeleistung der Satelliten ist konstant
Signalstörungen bestimmen Schwankungen des C /N0
Vergleich mit theoretischem Wert
Verhältnis zwischen allen Satelliten ist ausschlaggebend
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Signal-Rausch Verhältnis
Verhältnis von Signalstärke zu Rauschen pro Frequenz:
C /N0 [dB-Hz] =C − (N − B)
C ...
Leistung des Trägersignals
N ...
Rauschen
B ...
Bandbreite
Detektion
9
Nominale Sendeleistung der Satelliten ist konstant
Signalstörungen bestimmen Schwankungen des C /N0
Vergleich mit theoretischem Wert
Verhältnis zwischen allen Satelliten ist ausschlaggebend
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Signal-Rausch Verhältnis
Verhältnis von Signalstärke zu Rauschen pro Frequenz:
C /N0 [dB-Hz] =C − (N − B)
C ...
Leistung des Trägersignals
N ...
Rauschen
B ...
Bandbreite
Detektion
9
Nominale Sendeleistung der Satelliten ist konstant
Signalstörungen bestimmen Schwankungen des C /N0
Vergleich mit theoretischem Wert
Verhältnis zwischen allen Satelliten ist ausschlaggebend
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Leistungsspektrum
Verteilung der empfangenen Leistung über das Spektrum:
1
Sxx (ω) =
2π
Z
∞
rxx (t)e −ωt dt = F {rxx (t)}
−∞
rxx (t) . . .
Autokorrelationsfunktion
Detektion
10
GNSS Signale liegen unter dem thermischen Rauschen
Spezielle Autokorrelationseigenschaften der GNSS Signale
Theoretische Verteilung des Leistungsspektrums ist bekannt
Leistung in den GNSS Frequenzbändern ist ausschlaggebend
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Leistungsspektrum
Leistungsspektrum − Jammer Detektion
−189 empfangenen Leistung über das Spektrum:
Verteilung der
Jamming
1
Sxx−191
(ω) =
2π
Detektion
Leistung [dB−Hz]
−190
−192
Erwartet
∞
rxx (t)e
−ωt
dt = F {rxx (t)}
−∞
rxx (t) . . .
Autokorrelationsfunktion
−193
−194
GNSS Signale
liegen unter dem thermischen Rauschen
−195
Spezielle−196
Autokorrelationseigenschaften der GNSS Signale
Theoretische
−197 Verteilung des Leistungsspektrums ist bekannt
Leistung−198
in den GNSS Frequenzbändern ist ausschlaggebend
−1
10
Z
S. Bartl
−0.5
0
0.5
Frequenz [MHz]
AHORN 2015
26.11.2015
1
Lokalisierung
11
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Systemkonzept zur Lokalisierung
GAIMS
(P. Berglez)
12
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
GNSS Interference Monitoring Tool
GIMT
13
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Time Difference of Arrival
TDOA
150
1−3
1
100
y [m]
50
3
0
1−2
−50
2
−100
2−3
−150
−200
14
S. Bartl
−150
−100
−50
AHORN 2015
0
x [m]
50
100
26.11.2015
150
200
Time Difference of Arrival
TDOA
150
Charakteristik
1−3
1
100
Messung von Unterschieden in der Laufzeit
50
Unabhängig
von ausgesandter Leistung
Geometrie: Schnitt von Hyperbeln (Hyperboloidschalen)
y [m]
3
0
Probleme−50
Übertragung
der Rohdaten zwischen 2den Stationen
−100
Sende- und Empfangsleistung
sind nicht bekannt
2−3
−150
−200
14
1−2
S. Bartl
−150
−100
−50
AHORN 2015
0
x [m]
50
100
26.11.2015
150
200
Difference in Received Signal Strength
DRSS
Empfangene Signalstärke [dB]
PR = P0 − 10 · α · log10(d)
P0 . . .
α ...
Sendeleistung
Dämpfungsfaktor
d . . . Entfernung
Problem: Abhängigkeit von unbekannter Sendeleistung!
15
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Difference in Received Signal Strength
DRSS
Empfangene Signalstärke [dB]
PR = P0 − 10 · α · log10(d)
P0 . . .
α ...
Sendeleistung
Dämpfungsfaktor
d . . . Entfernung
Problem: Abhängigkeit von unbekannter Sendeleistung!
Dierenzbildung (Beobachtungsgleichungen, 2D)
(i)
PR
−
(j)
PR
=
(ij)
∆PR
= 10 · α · log10
dj
di
(ij)
∆PR = f (x0 , y0 , α)
⇒ mindestens 3 Beobachtungsstationen sind notwendig!
15
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Difference in Received Signal Strength
DRSS
Empfangene Signalstärke [dB]
−60
150
PR = P0 − 10 · α · log10(d)
P0 . . .
1
α −124.5
...
100
Sendeleistung
−70
Dämpfungsfaktor
−80
y [m]
3
0
−100
−120.0
Dierenzbildung (Beobachtungsgleichungen, 2D)
−110
−50
(i)
−100
(j)
(ij)
PR − PR = ∆PR = 102 · α · log10
−150
−200
−121.5
(ij)
∆PR
−150
−100
−50
0
dj
di
= f (x0 , y0 , α)
50
100
150
200
Leistung [dBW]
d . . . Entfernung
−90
Problem: Abhängigkeit von unbekannter Sendeleistung!
50
−120
−130
−140
x [m]
⇒ mindestens 3 Beobachtungsstationen
sind notwendig!
15
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Ergebnisse
16
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Fallbeispiel Landeanflug
Flughafen Graz
A2
A9
17
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion eines Jammers
Flughafen Graz
18
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion eines Jammers
Flughafen Graz
18
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion eines Jammers
Flughafen Graz
18
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
DRSS Lokalisierung
Erreichbare Genauigkeit - 3 Beobachtungsstationen
250
200
Referenz Störsender
Schätzung Störsender
Beobachtungsstation
3
150
100
Y [m]
50
0
−50
1
−100
2
−150
−200
−250
−300
19
S. Bartl
−200
−100
AHORN 2015
0
X [m]
100
26.11.2015
200
300
DRSS Lokalisierung
Erreichbare Genauigkeit - 3 Beobachtungsstationen
X [m]
20
0
−20
0
20
40
60
80
100
20
40
60
80
100
20
40
60
80
100
Y [m]
20
0
−20
0
GDOP [m]
100
50
0
0
Epoche
19
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
DRSS Lokalisierung
Erreichbare Genauigkeit - 3 Beobachtungsstationen
100
250
Beobachtungsstation
90
200
3
80
100
70
50
60
0
−50
50
1
40
−100
30
2
−150
20
−200
−250
−300
19
S. Bartl
10
−200
−100
0
X [m]
AHORN 2015
100
200
26.11.2015
300
0
GDOP [m]
Y [m]
150
DRSS Lokalisierung
Steigerung der erreichbaren Genauigkeit
100
250
Beobachtungsstation
90
200
3
150
80
Y [m]
50
60
4
0
−50
50
1
40
−100
30
2
−150
20
−200
−250
−300
20
S. Bartl
10
−200
−100
0
X [m]
AHORN 2015
100
200
26.11.2015
300
0
GDOP [m]
70
100
DRSS Lokalisierung
Steigerung der erreichbaren Genauigkeit
100
250
Beobachtungsstation
90
200
3
150
80
Y [m]
50 Die
erreichbare Genauigkeit ist stark abhängig von 60
4
0Geometrie und Anzahl der Beobachtungsstationen! 50
−50
1
40
−100
30
2
−150
20
−200
−250
−300
20
S. Bartl
10
−200
−100
0
X [m]
AHORN 2015
100
200
26.11.2015
300
0
GDOP [m]
70
100
Ausblick
21
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
GNSS Spoofing Attacke
Simulation
Einfache Spoong Simulation
1. Konstellation für korrekte Empfängerposition
2. Konstellation für bewegten Empfänger (Spoong Trajektorie)
mit höherer Leistung
3. Kombination beider Signale
4. Prozessierung mit SDR / GIMT
Signalgenerierung
® - Satellite Constellation Simulator (modiziert)
GIPSIE® - Intermediate Frequency Simulator (modiziert)
GIPSIE
Ziel der Simulation
Erkenntnis über Gefahrenpotential und Entwicklung von
Algorithmen zur Detektion und Mitigation von GNSS Spoofern.
22
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
GNSS Spoofing Attacke
Ergebnis
Epoche: 001
10
8
6
Nord [m]
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
23
S. Bartl
Referenz
Berechnung
−10
−5
AHORN 2015
0
Ost [m]
5
26.11.2015
10
GNSS Spoofing Attacke
Ergebnis
Epoche: 196
600
400
Nord [m]
200
0
−200
−400
−600
−800
24
S. Bartl
Referenz
Berechnung
−200
0
200
400
AHORN 2015
600
Ost [m]
800
1000 1200 1400
26.11.2015
Resümee
Störsender stellen eine groÿe Gefahr für GNSS dar (vor allem
für sicherheitskritische Anwendungen).
Der Einsatz von Jammern ist in den vergangenen Jahren
deutlich gestiegen.
Zuverlässige Detektion von Störsendern ist durch Kombination
verschiedener Algorithmen möglich.
Erste Versuche zur Lokalisierung von Jammern basierend auf
empfangener Signalstärke.
Einfache Simulation zeigt die Gefahr von Spoofern.
Detektion und Mitigation von Störsendern ist zur
Sicherung kritischer Infrastruktur unerlässlich!
25
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion und Lokalisierung von GNSS Störsendern zur
Sicherung kritischer Infrastruktur im Alpenraum
Sascha M. Bartl
Rettenbacher Straße 22, 8044 Graz, Austria
[email protected]
+43-316-890971-10
www.tca.at
Detektion eines Jammers
Flughafen Graz
27
S. Bartl
AHORN 2015
26.11.2015
Detektion eines Jammers
Flughafen Graz
100
alarm threshold
severity
90
detection algorithms [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
510
27
S. Bartl
515
520
measurement time [s]
AHORN 2015
525
26.11.2015
530
DRSS Lokalisierung
Schnittgeometrie
250
200
Störsender
Beobachtungsstation
3
150
−136.5 dB
21
2
m
100
1−3
Y [m]
50
0
−50
206 m
1
2−3
J
−90.0 dB
25
0
−136.3 dB
m
−100
2
−150
1−2
−138.0 dB
−200
−250
−300
28
S. Bartl
−200
−100
AHORN 2015
0
X [m]
100
26.11.2015
200
300
DRSS Lokalisierung
Schnittgeometrie
250
200
Störsender
Beobachtungsstation
J
150
3
250 m
−138.0 dB
−90.0 dB
100
4m
2−3
22
1−3
4
42
Y [m]
50
−50
m
0
1−2
1
−137.0 dB
−100
2
−150
−142.6 dB
−200
−250
−300
28
S. Bartl
−200
−100
AHORN 2015
0
X [m]
100
26.11.2015
200
300

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