Всем привет! Продолжаем обзор технологий, использующих радиосигналы. Пришло время обобщить материалы прошлой статьи и преподнести блеск и нищету системы глобального спутникового позиционирования GPS. Вместе с этой системой мы попутно рассматриваем и другие системы навигации со спутниковой группировкой на орбите и схожими принципами (GLONASS, BeiDou, Galileo), но особо не заостряемся на других аббревиатурах. Плюс минус нюансы все примерно одинаково. Поехали!
Особенности системы GPS
Орбитальная группировка
Как и в случае систем навигации гиперболического типа, спутниковые системы навигации имеют в своем составе станции, излучающие радиосигнал.
В случае со спутниковыми системами навигации, передатчики радиосигнала расположены на этих самых спутниках. Спутник представляет собой сложнейшее техническое изделие с системой автономного энергопитания передатчика и других потребителей от солнечных батарей. Другого источника энергии на борту нет.
Такие спутники выводятся на околоземную орбиту средней высоты с таким расчетом, чтобы оборот вокруг Земли происходил ровно за 12 часов. Таким образом, каждый спутник совершает два витка в сутки.
Кроме того, разгонный блок ракеты-носителя обеспечивает постановку спутника на одну из шести наклонных орбит, направленных под углом 55 градусов к экватору.
Всего на шести орбитах расположено 24 спутника не считая резервных. Такая
орбитальная группировка обеспечивает одновременную видимость, как минимум, 5 спутников из любой точки планеты, за исключением приполярных областей.
Наземные следящие станции, расположенные в различных уголках планеты диагностируют отклонения в орбитах и через управляющие станции проходят сигналы управления ракетными микродвигателями спутников для коррекции их орбит.
Что еще на борту?
Как мы выяснили ранее, в основе определения координат лежит принцип измерения времени прохождения радиосигнала, который, в свою очередь, распространяется приблизительно со скоростью света. Для точного выдерживания временных промежутков и отправки в структуре сигнала информации о точном времени на борту спутника установлены сверхточные часы.
Также на борту спутника имеется оборудование для определение своих собственных координат (спутник движется относительно Земли). Вместе со своим идентификационным номером, точным временем и координатами передатчик спутника отправляет в окружающее пространство информацию посредством модулированных колебаний на несущей частоте. Несущая частота - 1575, 42 МГц для гражданского применения, 1227, 60 МГц для военного применения. Это радиоволны УВЧ диапазона, главное свойство которых - распространение в пределах прямой видимости. Любые препятствия ослабляют или вовсе уничтожают сигнал. Модуляция (манипуляция) несущей - фазовая. К сожалению, ранее мы в достаточной мере не затрагивали этот вопрос ранее.
Итого, в передаваемом сигнале находится следующая информация:
- Этот сигнал передан спутником X
- Координаты спутника Y
- Время отправки сигнала Z
Приемник сигнала
Приемник GPS сигнала выделяет информацию о точном времени передачи радиосигнала, координатах спутника и идентификационную информацию.
На основании того, что время приема сигнала отличается от времени его передачи и эта разница стала известна можно сделать вывод о том, что сигнал от спутника, расположенного в координате Y, распространился до границы некоторой сферы. Сигнал от второго спутника также показывает временную задержку распространения, что приводит к построению второй сферы, пересекающей первую.
Фигура пересечения двух сфер это окружность.
Очевидно, приняв сигнал всего от двух спутников, точных сведений о своем местоположении приемник не получает. Все решает прием сигнала от третьего спутника.
Построив сферу от третьего спутника и найдя точки пересечения с получившейся ранее окружностью, список возможных координат существенно сокращается до двух. Одна из координат расположена высоко в космосе, поэтому отбрасывается. Остается искомая точка, имеющая координаты и даже высоту над уровнем моря. Чем больше спутников наблюдает приемник, тем выше точность определения координат. Еще одно уточнение - чтобы точно определить текущее время необходимо наличие в поле зрения еще одного - четвертого спутника.
А теперь выливаем ушат грязи
Ультравысокие частоты распространяются в пределах прямой видимости, поэтому при низком расположении спутника над горизонтом рельеф местности или строения преграждают путь сигналу и, как говорят, GPS спутники "отваливаются". Делают они это и под навесами, в зданиях и когда меньше всего это нужно.
В результате задержки сигнала при прохождении через атмосферу Земли, переотражения сигналов от различных конструкций, нарушается форма сигнала и вычисления координат дают отклонение вместо привычных 15 метров до 100 метров в совсем нехороших случаях. Многим известна ситуация, когда автомобильный навигатор решает, что он движется по дороге-дублеру и это еще не самый плохой вариант.
Невысокая точность, в отдельных случаях, вынуждает устанавливать наземные радиостанции коррекции сигнала, точно знающие свои координаты и на довольно небольшой территории излучающие мощный сигнал, позволяющий приемникам вычислить координаты более корректно.
Малая мощность излучения сигнала со спутника в совокупности с полным отсутствием шифрования сигнала диапазона для гражданского применения способствует применению средств глушения и что еще более печально - средств спуфинга (подмены) сигналов.
Самая известная и неизвестная система спуфинга расположена в центре столицы и предназначена ломать траектории крылатых ракет и за одно мозги парней-таксистов, рожденных в ферганской долине.
Если при глушении сигнала приемник может отработать эту ситуацию безопасно, то при грамотном спуфинге возможны самые катастрофические последствия.
... А теперь еще более вонючей субстанции
Как вы правильно поняли, сейчас будем развивать тему подмены навигационных сигналов. Эта одна из самых острейших проблем на современном этапе. Она настолько остра, что на ее решение выделяются внушительные средства и в первую очередь оборонные ведомства берутся заново за, казалось бы, давно умершие системы гиперболического типа.
Давайте неспеша... При создании спутников глобальной системы позиционирования изначально не было заложено ничего похожего на шифрование и процедуру аутентификации передатчика. На выведение каждого из 24 спутников (не считая резервных) было потрачено чуть менее 500 млн. долларов(!) Это мы не считаем стоимость исследований, опытных конструкторских разработок, производства спутников, наземного оборудования, приемников, строительства мониторинговых и управляющих станций по всему миру.
Точное количество нулей на аккуратно резаной бумаге подсчитать довольно затруднительно, но совершенно точно, что цифра огромна. Теперь мы имеем дело с системой, которая слабо защищена от атак, способных привести к самым печальным последствиям.
На текущий момент из-за проблем спуфинга известны случаи угона беспилотных летательных аппаратов. Если среди них оказываются боевые дроны с вооружением на борту, то уже вполне можно начинать переживать. В качестве демонстрации проблемы студенты угоняли яхту, воздействуя поддельным сигналом на антенну ее GPS приемника. Достаточно опасно?
Для мирных и высокоинтеллектуальных граждан еще такая история... Спуфинг сигналов GPS подменяет системное время, которое является очень важным параметром в системах биржевой торговли. А как вам, то что активно развиваемые беспилотные такси могут стать средством расправы над отдельными представителями рода человеческого? Да просто даже если беспилотный снегоуборщик уберет краску с вашего автомобиля ничего хорошего не будет.
Что с этим можно поделать?
Рассмотрим для начала то, как с этим явлением можно побороться, не обрекая GPS на медленное умирание.
Направленные антенны
Для больших транспортных средств вроде морских судов вполне неплохим решением может оказаться установка направленных антенн для поиска излучения сигнала с горизонтального направления. Как только такой источник обнаружен, можно применить компенсационный способ борьбы с помехой, какой бы мощной она не была. Вероятно, в скором будущем мы сможем более подробно рассмотреть этот вопрос. Тематика довольно интересная.
Анализ параметров сигнала
Следующим предложением по борьбе со спуфингом является анализ параметров сигнала и обнаружение их искажения. Сигнал с передатчика злоумышленника не приходит в одиночку. Так или иначе, он складывается с имеющимися корректными сигналами, пусть и меньшей мощности. Всякое сложение гармонических сигналов приводит к изменению амплитуды и фазы результирующего (конечного) колебания. Как вы уже поняли, предлагается поработать над теорией и практикой обнаружения таких изменений. Разработанные алгоритмы должны будут реализованы в новых чипах и работать на уровне аппаратной платформы приемника.
Анализ потока координат с приемника
Наименее затратным способом борьбы с подменой сигналов является анализ поступающих с приемника координат. Алгоритмы анализа могут быть реализованы в программной части приложений приемника и, как уже было сказано, это не сравнимо дешевле вышеуказанных способов. Да,
GPS приемник является компьютером со своим процессором, материнской платой, клавиатурой, монитором и другим периферийным оборудованием.
Однако, не все так просто. Грамотно организованный спуфинг легко преодолеет такую простую защиту. Достаточно атаковать цель сигналом, в котором будет подходящая и непротиворечивая информация. Например, угнанный дрон-разведчик получал сначала корректный сигнал, но уже большей мощности и от атакующего передатчика. Затем плавно меняющаяся информация в поддельном сигнале заставила дрон отклониться от маршрута и произвести посадку на аэродроме противника.
В следующем выпуске будет рассмотрена "серебряная пуля", уничтожающая (или нет) проблему атаки систем навигации.
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, впереди много интересного, не пропустите.
