WRONA Maciej 1 ANESZKO Aneta Ocena wpływu zagłuszeń celowych na jakość pozycjonowania pojazdów techniką GNSS WSTĘP Wraz ze wzrostem aplikacji wykorzystujących Globalny System Nawigacji Satelitarnej na rynku komercyjnym oferowane są urządzenia pozwalające w sposób skuteczny zakłócić sygnał satelitów GNSS. Ze względu na niską cenę i prosty sposób działania najszerzej dostępne są urządzenia generujące tzw. szum zakłócający (Interference Noise) na częstotliwości identycznej z GNSS. Takie świadome generowanie sygnału na częstotliwości GNSS określane jest terminem zagłuszanie ( jamming). Znacznie bardziej skomplikowane za równo z punktu widzenia niezbędnej szczegółowej wiedzy fachowej jak i niezbędnego sprzętu jest fałszowanie sygnału (spoofing). Ten drugi rodzaj wpływu na sygnał transmitowany przez satelity jest głównie wykorzystywany przez służby wojskowe [1]. Celem opisanego w niniejszym artykule eksperymentu było zbadanie wpływu zakłóceń celowych typu jamming na wyniki pomiaru techniką GNSS. Wnioski opierają się przede wszystkim na porównaniu współrzędnych z pomiaru rzeczywistego i pomiaru zagłuszanego. Uaktywnienie źródła zagłuszeń może zmniejszyć dokładność wykonywanego pomiaru, lub nawet go uniemożliwić, możliwe jest również zafałszowanie informacji[4]. Pomiary wykonano stosując różne metody, każdą poddając próbie degradacji. Sprawdzono również jak będą zmieniać się wyniki pomiaru wraz z oddalaniem odbiornika od źródła zakłóceń. Istotny punkt to również uważna obserwacja, jak odbiornik reaguje na uaktywniające się, nieznane pole elektromagnetyczne [3]. 1. WRAŻLIWOŚĆ SYGANŁU SATELITARNEGO NA ZAKŁÓCENIA Istnieje wiele możliwości ingerencji w transmisję sygnału satelitarnego. Mogą to być nieświadome działania, ale także czynności kontrolowane i zamierzone. Należy również pamiętać, że sam sprzęt służący do wysyłania i odbierania sygnałów, mimo iż jest profesjonalnie wyprodukowany, nie jest wolny od błędów. Można tu wymienić błędy zegarów odbiornika i satelity, błędy transmisji i zliczania czasu, błędy dokonywania korelacji sygnałów, etc. Wiele z nich można wykluczyć poprzez różnicowanie obserwacji. Moc sygnału transmitowanego przez satelity GPS do anteny odbiornika oscyluje w przybliżeniu wokół wartości -160 dbw [2], w zależności od użytkowanej częstotliwości. Odpowiada to 10-16 W. Wartość ta sugeruje, że poziom mocy sygnału jest dość niski, a co za tym idzie, łatwo go zagłuszyć. Należy pamiętać, że rozwój technologii dążący do ulepszania i unowocześniania sprzętu, nie idzie tylko w jednym kierunku: jeśli do sprzętu nawigacyjnego są wciąż wprowadzane nowe mechanizmy niwelujące czynniki zaburzające sygnał satelitarny, to także na rynek wprowadzane są coraz lepsze i skuteczniejsze narzędzia służące do zagłuszenia tego sygnału, lub do jego zniekształcania. Urządzenia takie, o różnej mocy działania, są powszechnie dostępne, a ich działanie często jest niezauważane i lekceważone, ze względu na występowanie w tle zakłóceń naturalnych. Moc sygnału zagłuszającego i jego zakres uzależniony jest od wielu czynników, m.in. od rodzaju sygnału, wysokości, na jakiej zostanie umieszczony mechanizm zagłuszający, geomerii usytuowania urządzenia zakłócającego, anteny odbiorczej i satelity, ukształtowania terenu oraz jakości używanego sprzętu. Źródło zagłuszeń tworzy wokół siebie sferę, w której promieniu wszystkie odbiorniki nie będą poprawnie działały, 1 Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Wojskowa Akademia techniczna; mwrona@wat.edu.pl 6865
dotyczy to również stacji referencyjnych. Przez zastosowanie zagłuszacza, zwykłemu użytkownikowi zostaje uniemożliwione pełne korzystanie z funkcjonalności, jaką oferuje mu GPS. Badania wskazują, że całkowitą utratę sygnału GPS w promieniu 10 kilometrów, może wywołać źródło zagłuszeń o mocy już 1 W. [2] Celowe ingerencje w sygnał satelitarny możemy podzielić na: zagłuszanie (jamming), fałszowanie sygnału (spoofing), oraz zakłócanie i ponowne nadawanie sygnału (meaconing). Zagłuszanie sygnału satelitarnego przy użyciu przeznaczonego do tego urządzenia, podłączonego do źródła zasilania, polega na wyemitowaniu zakłócenia elektromagnetycznego. Na skutek takiego działania zostają wygenerowane przez to urządzenie sygnały, w takim samym paśmie częstotliwości jak sygnał GPS. W ten sposób, powstaje tak zwany szum, czyli niepożądany sygnał, który może zakrywać i tłumić sygnał właściwy [1]. Wszystkie wyżej opisane metody ingerencji w sygnał satelitarny są poważnym zagrożeniem dla pomiarów geodezyjnych. Wykonując pomiar techniką GNSS, w zależności od stosowanej metody pomiarowej, możemy uzyskać dokładność położenia punktu sięgającą kilku milimetrów. Jeśli pomiar wykonywany będzie w sąsiedztwie źródła zagłuszeń, jego dokładność może znacznie odbiegać od oczekiwanej, określonej w poszczególnych wytycznych technicznych lub instrukcjach dla konkretnych prac. Bardzo prawdopodobna może być sytuacja, w której pomimo wysokiej precyzji pomiaru, dokładność będzie bardzo niska, a wyznaczona pozycja będzie pozycją fałszywą. Dokonanie pomiaru może również zostać całkowicie uniemożliwione. 2. POMIAR TESTOWY Celem przeprowadzonego testu było zbadabie jaki mają wpływ zakłócenia celowe na odbiór sygnału satelitarnego, a w rzeczywistości na wyniki pomiaru GNSS. Wpływ na wyniki pomiaru zwykłą metodą pozycjonowania, przy wykorzystaniu dwóch najpopularniejszych systemów satelitarnych, mianowicie GPS i GLONASS, a także wpływ na pomiar metodą DGPS, przy wykorzystaniu systemu SBAS (Satellite Based Augmentation System). Pomiary, które wykonano, ukazują stopień odporności odbiorników GNSS na działanie źródeł zakłócania, w zależności od odległości między odbiornikiem a zakłócaczem, a także ze względu na wybraną metodę pomiaru. Wyniki mogą być też informacją dla użytkowników, jakie elementy obserwować podczas wykonywania pomiaru, jak interpretować nietypowe wskazania kontrolera, tak by zinterpretować celowe degradacje sygnału satelitarnego, na tle zakłóceń naturalnych i przypadkowych. Badania pozwolą też ocenić, którą z przetestowanych metod warto wybrać, która prognozuje lepszą dokładność pomimo ingerencji czynników zewnętrznych i z jakiego powodu. Do pomiarów użyto odbiornika dwuczęstotliwościowego GNSS marki Trimble SPS881 z zainstalowaną aplikacją Survey Controller. Pierwszym krokiem była konfiguracja odbiornika i następujących parametrów: minimalny kąt widoczności satelitów nad horyzontem równy 10o, maska PDOP = 6, częstotliwość L1 i L2. Jako źródło zagłuszeń zagłuszacz GPS-100, zasilany elektrycznie, pracujący na częstotliwości L1, o mocy sygnału 140mW, co przekłada się na zasięg ok. 12m. Urządzenie zagłuszające transmituje sygnał w paśmie o szerokości 1450-1600 MHz o częstotliwości środkowej równej 1575,42 MHz. Zagłuszacz został przymocowany do statywu, na wysokości 1,90 m. 6866
Rys. 1 Rozmieszczenie punktów pomiarowych podczas eksperymentu Pomiary wykonano w czterech seriach, ustawiając odbiornik w odległości od źródła zagłuszania odpowiednio 5m, 10m, 15m i 20m (Rysunek 1). Odległości te zostały odmierzone ruletką. Używano jednej anteny odbiorczej, także po każdej wykonanej serii, przenoszono ją na kolejny spoziomowany i scentrowany statyw, aby zapewnić możliwie krótkie odstępy czasu pomiędzy obserwacjami. Pierwszy pomiar wykorzystywał tylko satelity systemu GPS, kolejno na stanowiskach od 1do 4. Następnie taki sam pomiar, na każdym stanowisku, powtórzono przy uruchomionym urządzeniu zagłuszającym. Kolejną serię przeprowadzono w sposób identyczny, z wykorzystaniem obserwacji GPS+GLONASS. Ostatnia seria obejmowała pomiar metodą DGPS (Differential GPS), wykorzystując informacje transmitowane przez europejski SBAS o nazwie EGNOS. Na każdym stanowisku i dla każdej metody pomiaru zarejestrowano 15 obserwacji z zagłuszaniem i tyle samo bez zagłuszania. Serie pomiarowe wykonywane były tak, aby przebiegały w zbliżonych warunkach obserwacyjnych. 3. ANALIZA WYNIKÓW Przy wykorzystaniu kombinacji: system GPS i urządzenie zagłuszające, błąd średni położenia punktu wzrósł w porównaniu do błędu przy metodzie GPS nie zagłuszanej, mianowicie błąd ten dla kolejnych stanowisk wyniósł: 0,30 m, 0,29 m, 0,16 m i 0,37 m. Poniższe wykresy obrazują jak na poszczególnych stanowiskach, czyli wraz ze wzrostem odległości od urządzenia zagłuszającego, zmieniały się współrzędne w porównaniu do wartości najbardziej prawdopodobnej pomiaru metodą GPS bez jej zagłuszania. 6867
W miarę oddalania się od źródła zagłuszeń, liczba widocznych przez odbiornik satelitów wzrasta. Na stanowisku pierwszym bardzo dokładnie widać wpływ celowych zagłuszeń. Liczba dostępnych satelitów znacznie maleje w porównaniu do pomiaru niezagłuszanego. Poniżej przedstawiono wartość współczynnika PDOP (Positional Dilution of Precision) dla piętnastu obserwacji na stanowisku nr 3.. Współczynnik PDOP na stanowiskach 3 i 4, czyli w odległości 15 metrów i 20 metrów od uruchomionego urządzenia zagłuszającego powraca do wartości, jaka zarejestrowała się podczas pomiaru niezagłuszanego. Mieści się ona w granicach 1,6-1,9. Dla współczynników HDOP (Horizontal Dilution of Precision) i VDOP (Vertical Dilution of Precision) również zachodzi taka sytuacja, że ich wartości wyrównują się dla pomiaru rzeczywistego i pomiaru zagłuszanego. Wartość współczynnika HDOP oscyluje wokół wartości 0,8 1,0, zaś współczynnik VDOP wokół 1,3-1,7. Analizując współczynniki DOP dla stanowisk w odległości 5 i 10 metrów od urządzenia zagłuszającego można stwierdzić, że spełniają wcześniejsze założenia i przewidywania wynikające z liczby dostępnych satelitów. Na stanowisku nr 1, przy pomiarze GPS z zagłuszeniem, wartość współczynnika PDOP jest ponad 5-krotnie większa, niż przy pomiarze bez zagłuszania. Dla stanowiska nr 2 różnica ta zmniejsza się, jednak w pojedynczych obserwacjach przy pomiarze zagłuszanym wartość współczynnika porównywalna jest do wartości uzyskanej na stanowisku nr 1. Analogicznie do współczynnika PDOP, zachowują się HDOP i VDOP. Poniżej prezentuję histogramy dla wybranych stanowisk. Ciekawie prezentuje się stanowisko nr 2, dla którego wartości współczynników VDOP i PDOP, dla dwóch obserwacji spośród piętnastu (6, 13) znacznie wzrastają, nawet o 3 jednostki. Rys. 2 Wartość współczynnika PDOP w czasie pomiaru rzeczywistego i pomiaru z zagłuszeniem (Stanowisko nr 2, GPS). Rys. 3 Wartość współczynnika VDOP w czasie pomiaru rzeczywistego i pomiaru z zagłuszeniem (Stanowisko nr 2, GPS). Kolejną kombinacją pomiarową było wykorzystanie do pomiaru łącznie systemów GPS i GLONASS. Wykorzystanie dwóch systemów oznaczało zwiększenie liczby dostępnych satelitów. 6868
Można by zakładać, że użycie systemu GLONASS w tym przypadku podniesie dokładność pomiarów. W efekcie, dla pomiaru niezagłuszanego liczba satelitów minimalnie wynosiła 15, a maksymalnie 18. Po uruchomieniu urządzenia zagłuszającego na stanowisku pierwszym, antena zarejestrowała sygnał maksymalnie z 6 satelitów. Na stanowisku 4 podczas zagłuszania widocznych było maksymalnie 9 satelitów systemu GPS i GLONASS (Rysunek 4). Rys. 4 Liczba widocznych satelitów GPS i GLONASS na stanowisku 1 i 4. Porównując wartość współczynników PDOP, HDOP i VDOP dla pomiaru zagłuszanego, kolejno dla każdego stanowiska, również brakuje zakładanego spadku wartości współczynników wraz z oddaleniem od źródła zagłuszeń. Bardzo podobnie sytuacja szkicuje się dla stanowiska pierwszego i ostatniego. Otóż zarówno w odległości 5 metrów, jak i 20 metrów od zagłuszacza, dla większości obserwacji, wartość współczynników DOP wzrasta zaledwie około 1,5 razy od współczynników charakteryzujących pomiar niezagłuszany. Jednak bardzo ważnym jest, że również dla tych dwóch stanowisk pojawiają się obserwacje o współczynniku znacznie wyższym. Dla stanowiska nr 1 zaistniały dwie obserwacje (8, 12) o współczynnikach DOP około 15 razy przewyższających współczynniki pozostałych 13-tu spostrzeżeń. Dla stanowiska nr 4 wystąpiły również dwie obserwacje (13, 15) o dziesięciokrotnie wyższych współczynnikach DOP. Warto w tym miejscu przypomnieć, że dla tych obserwacji, o zwiększonych współczynnikach, liczba dostępnych satelitów podczas pomiaru była tylko o jeden mniejsza niż dla pozostałych obserwacji. Nie wystąpiła tu duża różnica w ilości aktywnych satelitów, pomimo znacznego wzrostu błędu rozmycia dokładności pozycji. Stanowisko nr 2, oddalone od źródła zagłuszeń o 10 metrów, cechuje się stabilnością współczynników PDOP, HDOP i VDOP, zarówno jeśli chodzi o pomiar rzeczywisty, jak i zagłuszany. Dla pomiaru rzeczywistego współczynnik VDOP utrzymuje się na tym samym poziomie i dla piętnastu obserwacji ma wartość 0,7. Jeśli chodzi o PDOP mieści się w przedziale od 1,2 do 1,4, a HDOP pomiędzy 1,0 a 1,2. Maksymalne odchylenia pomiędzy obserwacjami wynoszą 0,2. Przy pomiarze zagłuszanym wartości te wzrastają, jednak nadal są względem siebie zrównoważone. Współczynnik PDOP, dla trzech pierwszych spostrzeżeń przyjmuje wartość 3,2, dla pozostałych 3,1. HDOP oraz VDOP są stałe dla wszystkich spostrzeżeń i przyjmują wartości 1,7 oraz 2,6. Po przeanalizowaniu rozkładu współczynników DOP można stwierdzić, że działalność urządzenia zagłuszającego jest widoczna na każdym ze stanowisk. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Po przeanalizowaniu średnich błędów pomierzonych punktów, podstawowym wnioskiem jest spadek dokładności pomiaru spowodowany wytwarzaniem zagłuszeń celowych. Występowanie aktywnego pola elektromagnetycznego w pobliżu stanowiska pomiarowego powoduje, że część sygnałów z systemu GNSS nie dociera do anteny odbiorczej. Jeśli wykonywane pomiary opierają się jedynie na systemie GPS to obserwacje takie bardzo podatne są na wpływ zagłuszeń celowych. Degradując tylko częstotliwość L1, można skutecznie 6869
uniemożliwić określenie pozycji. Im bliżej źródła zagłuszeń wykonywany jest pomiar, tym większy błąd średni położenia pomierzonego punktu. Wraz z oddalaniem od urządzenia zagłuszającego jego działalność degradująca maleje w sposób stopniowy. Uwidacznia się to w taki sposób, że odchylenia współrzędnych X i Y od wartości najbardziej prawdopodobnej maleją. Porównywalnie podobnie rozkładają się odchyłki dla współrzędnej H. Zagłuszenia celowe mają mniejszy wpływ na dokładność pomiaru przy wykorzystaniu dwóch systemów GPS i GLONASS. Otóż w przypadku próby zagłuszenia jednocześnie dwóch wspomnianych wcześniej systemów, odchylenia współrzędnych od wartości najbardziej prawdopodobnej rozkładają się nierównomiernie, bez względu na odległość anteny odbiorczej od urządzenia zagłuszającego. Porównywalnie ujawnia się wpływ zakłóceń celowych na pomiar wysokości. Odchylenia współrzędnej H mogą być kilkakrotnie większe niż odchylenia współrzędnych X, Y. Celowa ingerencja w sygnał satelitarny, podczas pomiaru różnicowego z wykorzystaniem systemu SBAS jest najbardziej zauważalna. Otóż praca zagłuszacza na częstotliwości L1 wystarcza, aby całkowicie uniemożliwić odbiór sygnału SBAS. Wszystkie składowe współczynnika DOP również reagują na zagłuszanie sygnału satelitarnego. Otóż jeśli degradacja sygnału jest intensywna, kontroler pomimo rejestracji wszystkich współczynników, ukazuje również komunikaty o nadmiernie wysokiej wartości konkretnego współczynnika. Jest to sygnał dla użytkownika aby porównać między innymi liczbę aktywnych satelitów i współczynnik PDOP. Tradycyjny pomiar GPS ma niską odporność na zakłócenia celowe. Niewielkim nakładem kosztów można zdegradować sygnał satelitarny. Zakłócenia celowe można zinterpretować na podstawie zmiany odległości pomiędzy anteną a zakłócaczem, ponieważ odchylenia współrzędnych i wszystkich współczynników rozkładają się równomiernie: wraz ze wzrostem odległości maleją. Podczas wykorzystania do pozycjonowania dwóch systemów GPS i GLONASS, błędy położenia pomierzonych punktów są mniejsze niż przy wykorzystaniu tylko techniki GPS. Połączenie systemów daje większą odporność. Zakłócenia celowe można rozpoznać po pojedynczych obserwacjach, dla których wystąpiły duże odchyleniach współrzędnych od wartości najbardziej prawdopodobnej. Zakłócenia celowe mogą doprowadzić do całkowitej eliminacji sygnału GNSS. Niewielkim nakładem kosztów można przerwać transfer poprawek z systemu SBAS, przy ingerencji w częstotliwość L1. W miejscu, gdzie będą występować zakłócenia celowe, pomiar taki będzie niemożliwym do wykonania. Podstawowym elementem informującym o degradacji sygnału jest współczynnik PDOP. Nawet jeśli pomiar nie zostaje zarejestrowany, urządzenie informuje użytkownika o nadmiernym wzroście wartości współczynnika PDOP. Po zakończeniu działania urządzenia zakłócającego, jego działanie nadal jest widoczne przez kilka do kilkudziesięciu sekund. Po takim czasie, można dopiero wykonać poprawny pomiar. Po upływie kilku sekund zaczyna zwiększać się liczba dostępnych satelitów, aż do momentu gdy do odbiornika będą docierać informacje o wszystkich satelitach i ich poprawnym położeniu. Jako metodę przeciwdziałania zakłóceniom celowym można wprowadzić dodatkowe częstotliwości nadawania sygnałów satelitarnych, czy zastosować zintegrowany system nawigacyjny GPS/INS. Badane zjawisko jest bardzo znaczącym problemem w takich dziedzinach, jak geodezja i nawigacja. Rozwój technologiczny pozwalający na uzyskanie podczas pomiaru wysokiej dokładności, może również doprowadzić do jej degradacji. Występowanie zakłóceń celowych w pobliżu stanowiska pomiarowego powoduje uzyskanie przez użytkownika wyników niepewnych, błędnych, czy zafałszowanych. Stan taki może również doprowadzić do wyłączenia stacji referencyjnych. Skutki takich zjawisk mogą być bardzo negatywne ze względu na stan obecnego uzależnienia geodezji od technik GNSS. 6870
Streszczenie Niniejszy artykuł opisuje test przeprowadzony na Wojskowej Akademii Technicznej w 2014 roku. Doświadczenie polegało na próbie oceny wpływu zagłuszeń celowych generowanych przez dostępne na rynku komercyjnym urządzenia low cost na jakość pozycjonowania z wykorzystaniem GNSS. Słowa kluczowe: tu należy wpisać słowa kluczowe, czcionka Times New Roman 11 pkt, pogrubione, wyrównanie do lewej (Styl Słowa Kluczowe) BIBLIOGRAFIA 1. Asghar Tobatoboei, 2007, Detection Characterisation andmitigation of interference in receivers for global navigation satellite systems, The University of New South Wales 2. Glenn D. MacGougan, 2003: High sensitivity Environments, The University of Calgary 3. John A. Volpe, Vulnerability assesement of the transportation infrastructure relying on the Global positioning system 4. Anthony Abbarth 2007, Antyjamming and GPS for Critical Military Applications, Department of Defence, 2002 PODZIĘKOWANIA Niniejsza publikacja powstała w oparciu o środki z projektu PBS/854/2013 Pozyskiwanie i przetwarzanie geodanych dla potrzeb bezpieczeństwa i obronności kraju. 6871