NAVIGATION WARFARE. Verkenning van een nieuw type oorlogvoering

Transcriptie

1 NAVIGATION WARFARE Verkenning van een nieuw type oorlogvoering C.A. Scheele Nederlandse Defensie Academie Faculteit Militaire Wetenschappen Capaciteitsgroep MTW Den Helder 7 mei 2013

2 Voorwoord In het kader van de nieuwe opleiding Militair Bedrijf en Techniek (MBT) is een vak Information Operations in ontwikkeling. Een onderdeel van dit vak betreft Navigation Warfare. De leerdoelen voor dit onderdeel zijn voorlopig als volgt geformuleerd: 1. Give an overview of civil and military PNT applications involving GNSS and explain consequences of loss of PNT functionality for these applications. 2. Give a general description of the most important components of a GNSS receiver and explain in what way these components could contribute in limiting the influence of interfering signals. 3. Give an overview of jamming and spoofing techniques, explain their influence on (components of) a GNSS receiver and techniques to mitigate the influence. 4. Describe the military aspects of GPS, including security techniques (MILPGS). Dit verslag bevat een eerste verkenning van dit nieuwe domein van oorlogvoering. Na een kort historisch overzicht van de navigatie wordt het begrip navigation warfare geïntroduceerd, dat onder andere inhoudt het ontzeggen van zogenaamde Positie, Navigatie en Tijd (PNT) informatie aan een tegenstander. Vervolgens wordt beschreven wat de gevolgen kunnen zijn voor militaire en civiele toepassingen indien PNT informatie daadwerkelijk ontzegd of gemanipuleerd wordt. Daarna wordt ingegaan op methoden om PNT informatie aan een tegenstander te ontzeggen en methoden om te voorkomen dat dezelfde informatie de eigen eenheden ontzegd wordt. Omdat Global Navigation Satellite Systems de belangrijkste bron van PNT informatie zijn, ligt het accent steeds op deze systemen. Daarom ook worden de belangrijkste componenten van een GNSS ontvanger kort besproken. 1

3 Inhoud 1 Inleiding Navigation Warfare PNT en militaire operaties PNT en civiele toepassingen Navigatie Elektrische energievoorziening Financiële transacties Opbouw van een generieke GNSS ontvanger Antenne Receiver Front End Automatic Gain Control Analog to Digital Converter Code Tracking Loop / Delay Lock Loop Carrier Tracking Loop / Phase Lock Loop Control Laws PNT ontzeggen (Prevent) Onopzettelijke storing Jamming Breedbandige ruis J b Toon interferentie en Smalbandige ruis J t Pulsed noise/cw Twee Toon Interferentie Swept Tone / Chirp Meaconing en Spoofing Meaconing Spoofing Incidenten Moss Landing Harbour San Diego RQ-170 Sentinel PNT beschermen (Protect) Space bound approach Uitgezonden vermogen Signaalstructuur Earth bound approach

4 7.2.1 Spectraal Filter (SF) Adaptieve antennes Signaal begrenzer in het Front end AGC en J/N meter Bandbreedte en integratietijd Integratie met andere navigatiesensoren PNT behouden (Preserve) Bibliografie

5 1 Inleiding Sinds lang vervlogen tijden heeft de mens voor allerlei civiele en militaire operaties en processen behoefte gehad aan antwoorden op vragen als waar ben ik?, waar moet/wil ik heen? en hoe laat is het?. Samengevat: de mens heeft behoefte aan informatie over zijn huidige positie, zijn toekomstige positie (navigatie) en tijd (Position, Navigation & Time, PNT). Tot de jaren 80 van de vorige eeuw zijn de ontwikkelingen in de PNT relatief langzaam verlopen; het was een evolutionair proces. De kennis over hoe PNT gerealiseerd kon worden was weliswaar al lange tijd aanwezig, maar het ontbrak de mens aan technische mogelijkheden om die kennis te vertalen in nauwkeurige, snelle en wereldwijde PNT systemen. Vanaf de Tweede Wereldoorlog komen de ontwikkelingen in PNT in een (naar het lijkt steeds groter wordende) versnelling. Met name de opkomst van digitale computers en ruimtevaart- en satelliettechnologie bieden grote mogelijkheden voor steeds snellere, nauwkeuriger en betrouwbaarder PNT systemen met een vrijwel wereldwijde dekking. Met recht kan gesproken worden van een PNT revolutie in de jaren 90 van de 20 e eeuw en de eerste 10 jaren van de 21 e. Was PNT voor die tijd voorbehouden aan een select gezelschap speciaal opgeleiden (zee- en luchtvaartscholen, militaire en andere specialistische organisaties), vanaf die tijd zijn beschikbaarheid, kosten en bedieningsgemak zodanig, dat PNT systemen zijn doorgedrongen tot in de poriën van de maatschappij. Een rapport van het Amerikaanse Ministerie van Defensie brengt het voorgaande als volgt onder woorden: Efficiencies in positioning, movement and timing derived from the ubiquitous GPS signals have already quietly permeated virtually every level of our national infrastructure to the extent that, in many cases, there is no going back to earlier ways of doing things without tremendous but unrecognized penalties. (US Department of Defense, 2005) PNT systemen bieden de burger- en militaire maatschappij voordelen op allerlei gebied. Daar staat tegenover, dat de maatschappij als geheel kwetsbaar is geworden doordat vrijwel uitsluitend Global Navigation Satellite Systems (GNSS) worden toegepast als systemen voor PNT. Disfunctioneren van het betreffende GNSS om wat voor reden dan ook kan desastreuze gevolgen hebben. En, zoals bij de meeste technologieën het geval is, kan de ene mens ook PNT systemen gebruiken om het de andere mens moeilijk te maken. PNT is daarmee via de stadia van evolutie en revolutie in het stadium van oorlog terecht gekomen, Navigation Warfare. In deze bijdrage aan het vak Information Operations komen achtereenvolgens de volgende onderwerpen aan de orde: 1. Definities Navigation Warfare. 2. PNT toepassingen in civiele en militaire operaties en processen. 3. Mogelijkheden om systemen voor PNT te verstoren. 4. Mogelijkheden om verstoring van systemen voor PNT tegen te gaan. 4

6 2 Navigation Warfare De Golfoorlog van was het eerste grootschalige conflict waarbij een GNSS (GPS) onder operationele omstandigheden is ingezet. Tijdens deze oorlog hebben de Verenigde Staten van Amerika geconcludeerd, dat niet alleen zij voordeel hadden van GPS, dat toen nog niet volledig operationeel was, maar ook de Irakese tegenstander. In een artikel in het tijdschrift GPS World van mei 1991 wordt melding gemaakt van het feit dat Irak gebruik maakte van GPS om zijn mobiele Scud lanceer installaties snel te kunnen positioneren, Scuds af te vuren en weer terug te trekken (Jacobson, 1991). In hoeverre deze informatie correct is, is niet helemaal duidelijk. Het artikel in de Wall Street Journal (WSJ) van 7 Februari 1991 waarnaar verwezen wordt, is minder stellig: The Iraqis may have significantly reduced the Scud countdown cycle with the aid of commercially available American equipment. (Boldrick, 1991) Verder staat in hoofdstuk 8 van het RAND rapport A League of Airmen (Winnefeld, Niblack, & Johnson, 1994) onder de titel The Enablers: Navigation and Positioning het volgende vermeld: Because there were not enough military receivers, U.S. and Coalition forces relied quite heavily on commercial receivers: by March 1991, there were 4,490 commercial and 842 military GPS receivers deployed. Because of the need to use commercially available receivers, the decision was made to turn off Selective Availability (SA), which would restrict nonmilitary access to GPS in times of war; this action contributed to the concern that Iraq might take advantage of the system, but it is unclear whether or not that occurred. Dat het niettemin waarschijnlijk is, dat Irak gebruik gemaakt heeft van GPS kan afgeleid worden uit wat in hoofdstuk 6 van het RAND rapport onder de titel The Scud Hunt wordt geschreven: The intelligence community's failure was at both a strategic level and a more narrowly technical level. The number of missiles and mobile launchers and, importantly, of pre surveyed sites for mobile launches was simply underestimated and not taken into account in planning. U.S. intelligence had estimated that Iraq possessed some three or four dozen Scud launchers. In fact, later analysis concluded the total was probably closer to 225. In addition, the intelligence community also overestimated the time it would take for the Iraqis' mobile launch vehicles to leave their launch sites after firing. Rather than the halfhour analysts thought would be necessary, actual dispersal came in five to six minutes. Moreover, the Iraqis devised some clever operational techniques for deception, effectively using decoys to divert attacks from actual launch vehicles. Voor zover bekend wordt de term Navigation Warfare (NavWar) in 1991 nog niet officieel gebruikt, de zaak is getuige bovenstaande citaten al wel relevant. In 1997 komt de term Nav- War voor het eerst voor in een internetartikel over militaire ruimte programma s op de web site van de Federation of American Scientists (Lindborg, 1997). 5

7 Sindsdien zijn verschillende definities voor Navigation Warfare geformuleerd. De eerste definitie, die in een open bron voorkomt, is afkomstig van BGEN J.L. Clay (Deputy Director USAF Space and Missile Systems Center) en luidt: An environment in which.... friendly forces maintain their ability to use satellite navigation, satellite navigation is denied to hostile users and there is no effect upon civilian applications. (Herskovitz, 1997) De officiële definitie, die binnen NATO wordt gebruikt, is te vinden in STANAG 4621 en luidt: Preventing the hostile use of PNT information while protecting the unimpeded use of the information by NATO forces and preserving peaceful use of this information outside the area of operations. (North Atlantic Treaty Organization) Het verschil tussen beide bovenstaande definities zit in de details. Een belangrijk verschil is dat in de definitie van Clay specifiek gesproken wordt over satellite navigation, terwijl in de NATO definitie sprake is van PNT. In deze bijdrage wordt uitgegaan van de NATO definitie en worden de NavWar aspecten van alle relevante PNT systemen besproken. Wat in alle definities voorkomt, zijn de elementen protecting (maintain), preventing (denied) en preserving (no effect). Methoden waarmee deze 3 P s ( Triple P ) gerealiseerd kunnen worden, komen in het vervolg aan de orde. 6

8 3 PNT en militaire operaties Hoewel het aantal militaire gebruikers slechts 1% bedraagt van het totaal aantal gebruikers (Forssell, 2009), vinden GNSS in het algemeen en GPS in het bijzonder hun oorsprong onmiskenbaar in het militaire domein. GPS is in 1973 ontstaan uit een samenvoeging van (onderzoeken naar) systemen voor satellietnavigatie binnen de Amerikaanse marine (project Timation ) en luchtmacht (project 621B ). In 2005 verwoordde het Amerikaanse Ministerie van Defensie het belang van GPS (PNT) voor militaire operaties als volgt: For military missions, GPS provides an unparalleled forceenhancement tool. GPS aids in all aspects of military combat operations because of its common-datum, common-grid, common-time capabilities. GPS is unique in its ability to establish an unambiguous correlation in four dimensions between a target and a dynamic weapon system aimed at that target all the time, anywhere on the earth, and under any condition of light, weather, or other source of target obscuration. This translates directly into increased probability of kill for any particular weapon, increased force employment efficiency for military mission planners, and overall lower risk for the individual military members and units that must execute the missions. (US Department of Defense, 2005) Het rapport waaraan het bovenstaande citaat is ontleend bespreekt beknopt de missies en operaties waarbinnen GPS een rol speelt. Feitelijk komt het erop neer dat GPS ook in de poriën van de militaire maatschappij is doorgedrongen en (systemen voor) PNT een belangrijke rol spelen bij normale navigatie, bij beeldopbouw, doelaanwijzing en wapeninzet, bij bevoorrading, mijnenbestrijding, opruimen van explosieven, Search & Rescue, Special Operations, Communicatie, Intelligence, Surveillance en Reconnaissance en Net-Centric operations. Een belangrijke veel-/alles omvattende term is wellicht Battlespace Awareness. Over de eisen waaraan de verschillende operaties en missies moeten voldoen, doet het rapport geen uitspraak. Alleen ten aanzien van de inzet van de zogenaamde Small Diameter Bomb wordt gemeld: To achieve the ultimate required operational effect, the issue of target location accuracy must be addressed, and will require higher precision than is now part of the requirements. To achieve 2 meter weapon-on-target accuracy, the allocation of Target Location Error should be less than 1 meter. (US Department of Defense, 2005) Aangenomen mag worden dat de eisen voor normale navigatie tenminste gelijk zijn aan die voor civiele navigatie. Ook mag worden aangenomen dat de gevolgen van het niet beschikbaar zijn van GNSS voor de normale militaire navigatie vergelijkbaar zijn met die van civiele navigatie. Wat de operationele gevolgen zijn van het wegvallen van GNSS-PNT informatie voor de verschillende militaire systemen en operaties is nog onderwerp van nadere studie. 7

9 4 PNT en civiele toepassingen In de volgende secties wordt voor een aantal civiele toepassingen van PNT systemen beschreven wat de eisen zijn en wat de gevolgen (kunnen) zijn indien niet aan deze eisen kan worden voldaan. 4.1 Navigatie De meest voor de hand liggende toepassing van PNT is navigatie voor de verschillende transportmodaliteiten (lucht, zee en land) en ten behoeve van bijzondere operaties zoals geodesie, offshore, hydrografie en dergelijke. De eisen wat betreft nauwkeurigheid (95%) variëren van 10 nmi (luchtvaart boven de oceaan) tot minder dan 10 cm (land: automated vehicle monitoring; geodesie: static survey) (US Department of Defense, 2010). Het gros van de operaties en processen vereist een nauwkeurigheid van 20 m of beter. Alleen een GNSS kan aan deze PNT eisen voldoen. Het effect van verstoring van GPS (PNT) op het navigatieproces kan het beste geïllustreerd worden aan de hand van een aantal proeven die in 2008 nabij Flamborough Head in het Verenigd Koninkrijk zijn gedaan (Grant, Williams, Ward, & Basker, 2009). Tijdens deze proeven is onderzocht hoe de prestaties zijn van de bemanning, de navigatiemiddelen, navigatiesystemen die gevoed worden door GPS, DGPS referentiestations en gesynchroniseerde navigatiebakens- en boeien, indien een GPS stoorzender met een vermogen van (slechts) 1.5 W wordt ingezet. Kort samengevat waren de resultaten als volgt: 1. Hoewel de bemanning volledig op de hoogte was gesteld van de komende verstoring van GPS, ondervonden zij toch diverse problemen. Gedurende 10 minuten na het begin van de storing gingen allerlei alarmen af van GPS, DGPS, AIS, het Dynamic Positioning System, het gyro calibratie systeem en het Digital Selective Calling systeem. Omdat de EC- DIS niet meer naar behoren functioneerde heeft de bemanning deze uitgezet. Voor een bemanning die wist wat ging komen was het niet eenvoudig door te gaan met navigeren. Hoe zou een bemanning reageren, die onverwacht met een dergelijke situatie wordt geconfronteerd? 2. Het DGPS referentiestation was niet meer in staat juiste correcties te bepalen, waardoor deze ook niet meer door DGPS ontvangers van gebruikers konden worden toegepast. Het gebied waarbinnen de storing effectief was, was weliswaar beperkt, maar door de onjuiste correcties was DGPS tot een afstand van enige honderden kilometers vanaf het referentiestation niet meer bruikbaar. 3. De storing heeft geen effect op gesynchroniseerde bakens en boeien indien deze op het moment dat de storing begint al gesynchroniseerd zijn. Indien de betreffende bakens en boeien niet gesynchroniseerd zijn op het moment dat de storing begint, zijn zij niet meer in staat om te synchroniseren. 4. Allerlei systemen die op de een of andere manier de PNT informatie van GPS gebruikten functioneerden niet meer naar behoren. AIS systemen gaven onder andere foute posities (op land), grondkoersen en grondsnelheden die niet alleen grote variatie in de tijd vertoonden, maar ook extreme waarden zoals snelheden van meer dan 100 knopen voor gewone schepen. Tijdens de proeven is gebleken dat een aantal GPS ontvangers de gebruiker niet laat weten dat de informatie die de ontvanger levert niet meer correct is. Het is zorgelijk dat professionele ontvangers voor maritiem gebruik zolang GPS storing aanwezig is PNT informatie gewoon voorzien van het label valide. 8

10 Voor de hierna beschreven toepassingen is alleen de grootheid tijd van belang. In 2011 werd geschat dat van de 1 miljard GPS ontvangers meer dan 90% alleen voor de T van PNT wordt gebruikt (Hambling, 2011). De eisen zijn voornamelijk ontleend aan (Lombardi, 2006). 4.2 Elektrische energievoorziening Om de status van een elektrisch energie netwerk te monitoren wordt gebruik gemaakt van zogenaamde synchrophasor measurements. Een synchrophasor wordt gedefinieerd als de amplitude en de fase van een cosinus-vormig signaal op een bepaald (absoluut) tijdstip (Adamiak, Premerlani, & Kasztenny, 2006). Het verschil tussen waargenomen- en de theoretisch exacte synchrophasor wordt gebruikt als een maat voor de status van het energie netwerk. In figuur 1 zijn een theoretische- en waargenomen synchrophasor afgebeeld in blauw (x) respectievelijk groen (x n ). In IEEE standaard C wordt de zogenaamde Total Vector Error (TVE, ε) gedefinieerd als: x n x x ϕ xn 100 Im ϕ x Spanning [V] Re Tijd [s] Figuur 1. Links: presentatie van een theoretische (blauw) en een waargenomen (groen) synchrophasor als vectoren in het complexe vlak. Rechts: presentatie van beide spanningen in het tijddomein. De amplitude van de theoretische spanning bedraagt 230 V, de frequentie 60 Hz. Volgens de genoemde standaard mag ε niet groter zijn dan 0.01 (1%). Wanneer de amplitudes van de theoretische- en de waargenomen synchrophasors aan elkaar gelijk zijn komt een ε van 1% overeen met een fasefout van of met een tijdfout van 26.5 µs (Shepard, Humphreys, & Fansler, 2012). Waarom deze grens is gesteld, is niet duidelijk. Wat de gevolgen zijn van een overschrijding van de 1% grens is afhankelijk van meerdere factoren, maar een gevolg kan zijn dat één of meerdere generatoren automatisch worden uitgeschakeld, waardoor de belasting van de overige generatoren toeneemt. Uiteindelijk kan dit leiden tot uitvallen van (een groot deel van) het betreffende netwerk (Shepard, Humphreys, & Fansler, 2012), (Behrendt & Fodero, 2006). In (Shepard, Humphreys, & Fansler, 2012) wordt beschreven hoe met behulp van spoofing van GPS een tijdfout van 400 µs is ingevoerd in een zogenaamde Phasor Measurement Unit 9

11 (PMU). Een dergelijk fout is ruim voldoende om (delen van) het netwerk instabiel te maken en te laten uitvallen. Tabel 1 geeft een overzicht van de eisen die voor verschillende processen binnen een energienetwerk zijn geformuleerd. Een vergelijkbare tabel in (Behrendt & Fodero, 2006) vermeldt <26 µs voor Synchro-phasor Measurements, terwijl tabel 1 hiervoor 1 µs opgeeft. Dit verschil komt waarschijnlijk doordat tabel 1 uitsluitend synchronisatiefouten vermeldt, terwijl ε van meer grootheden (instrumentfouten, fouten in de verwerking etc.) afhangt. Tabel 1. Synchronisatie-eisen voor elektrische energie netwerken (Lombardi, 2006) Generation Control 10 ms Generator phase Event Recorders 1 ms Time tagging of records Stability Control 46 µs 1 Phase angle at 60 Hz Networked Controls 4.6 µs 0.1 Phase angle at 60 Hz Traveling Wave Fault Locators 1 µs 300 m tower spacing Synchrophasor Measurements 1 µs Phase angle at 60 Hz 4.3 Financiële transacties Voor het goed functioneren van de financiële wereld is de grootheid tijd tegenwoordig van essentieel belang. Klokken in beurzen worden vaak gestuurd en onderling gesynchroniseerd door GPS tijd. Eén van de financiële processen is arbitrage. Arbitrage is het proces een product (ruwe grondstof, valuta) in de ene plaats te kopen en het direct in een andere plaats te verkopen voor een hogere prijs met het oogmerk om winst te maken (LONGMAN, 2010). Voor arbitrage zijn (geringe) ongelijkheden van de prijs voor hetzelfde product op verschillende beurzen noodzakelijk. Om risico s te minimaliseren moet de transactie (koop en verkoop) simultaan plaatsvinden. Een groot gedeelte van de handel wordt tegenwoordig automatisch op afstand door de computer uitgevoerd. In dat kader wordt de term Algorithmic Trading (AT) gebruikt. AT is een verzameling programma s die de handel op de beursvloer in allerlei opzichten moeten optimaliseren (= maximale winst?) (Chlistella, 2011). High Frequency Trading (HFT) is een deelverzameling van AT. HFT programma s analyseren doorlopend en met hoge snelheid de markt en maken gebruik van onevenwichtigheden in de prijs van bepaalde producten op verschillende plaatsen om tegen een lage prijs op de ene beurs te kopen en direct weer op een andere beurs te verkopen tegen een hogere prijs. Voor HFT zijn nauwkeurigheden in tijd nodig die in de ordegrootte van µs en ms liggen. Door het manipuleren (spoofen) van de klok van een beurs kan een kwaadwillende handelaar zichzelf verrijken en andere handelaren benadelen (Humphreys, 2011). Door het verstoren van het PNT systeem, dat de juiste tijd aan een bepaalde beurs levert, kan de financiële wereld voor kortere of langere tijd ontwricht raken. 10

12 5 Opbouw van een generieke GNSS ontvanger In dit hoofdstuk worden de diverse onderdelen van een GNSS ontvanger kort besproken (zie figuur 2), waarbij de nadruk ligt op de grote lijnen, op het vermogen en de (wiskundige) vorm van het signaal. 5.1 Antenne De antenne heeft als taak de ontvangen energie in de vorm van een rechtsdraaiende circulair gepolariseerde EM golf om te zetten in elektrische signalen. Wiskundig kan het ontvangen signaal s r (t) als functie van de tijd t geschreven worden als: sin In deze relatie is C de afstandcode met amplitude A C, D de navigatieboodschap, t g de looptijd van het signaal tussen de satelliet en de ontvangerantenne, ω de draaggolffrequentie, ω d de dopplerverschuiving van ω en ϑ de fase. Het vermogen van dit signaal bij de antenne van een GNSS ontvanger is zeer klein en varieert voor GPS van ongeveer dbw in de richting van het zenit tot dbw in de richting van de horizon (Misra & Enge, 2006). De meeste GNSS antennes hebben een versterking, die in elevatie varieert van ongeveer 5 db in de richting van het zenit tot -5 db in de richting van de horizon. Antenne Automatic Gain Control Receiver Front End Band-pass Prefilter Low Noise Amplifier Down Converter Analog to Digital Converter Control Laws Normal Acquisition Direct Acquisition (Code Lock) Carrier Lock Carrier+Code Track+Data Demodulation Signal Reacquisition Code Tracking Loop Code delay Carrier Tracking Loop Doppler Navigation message Navigation Filter Figuur 2. Schematisch overzicht van een generiek GNSS ontvanger kanaal. De getrokken lijnen (pijlen) geven de richting aan waarin het ontvangen signaal zich vanaf de antenne door de ontvanger verplaatst. De stippellijnen geven communicatielijnen aan voor het monitoren en bedienen van de diverse onderdelen van het ontvangerkanaal. 5.2 Receiver Front End De frequentie van het ontvangen signaal is zodanig hoog (ordegrootte 1 GHz) dat het niet direct verwerkt kan worden. Om oscillatie van versterkers tegen te gaan, om het bemonste- 11

13 ren van het signaal (beter) mogelijk te maken en om een scherpere afsnij-frequentie (cutoff) in filters te kunnen realiseren, wordt het signaal geconverteerd naar een lagere frequentie. Deze conversie naar de zogenaamde Intermediate Frequency (IF) ω IF wordt gerealiseerd door het ontvangen signaal s r (t) te vermenigvuldigen met een signaal a(t) van de vorm: cos! "! waarin ϕ IF de fase van dit signaal is. Door s r (t) te vermenigvuldigen met a(t) ontstaan twee signalen, één met een hogere frequentie (2ω + ω d ω IF ) en één met een lagere frequentie (ω IF + ω d ). Door toepassing van een band pass filter wordt alleen het signaal met frequentie (ω IF + ω d ) doorgelaten. Dit resulterende signaal s IF (t) kan geschreven worden als:! 2 sin! "! Het converteren naar een lagere frequentie gebeurt doorgaans niet in één keer, maar in stappen, waarbij eerst naar een IF tussen 30 en 100 MHz wordt geconverteerd en vervolgens naar een IF tussen 4 en 16 MHz (Grewal, Weill, & Andrews, 2001). Het proces van converteren, filteren en versterken vindt plaats in het front end. Na het proces in het front end is het gewenste signaal zoveel mogelijk ontdaan van ongewenste storing ( out of band interference ) en is het versterkt. Wat niet verdwenen is, is de (altijd aanwezige) ruis. Het totale vermogen P N van de (thermische) ruis in een bandbreedte B kan bepaald worden met de relatie P N = ktb, waarin k de constante van Boltzmann is. In tabel 2 wordt dit verder uitgewerkt voor GPS. Tabel 2. Vermogensbudget van een GNSS (GPS) ontvanger volgens (Misra & Enge, 2006) en (Langley, 1997). (Misra & Enge, 2006) (Langley, 1997) Ontvangertemperatuur (inclusief antenne) (K) Ruisvermogensdichtheid N 0 = kt (W/Hz) * *10-21 Ruisvermogensdichtheid (dbw-hz) Vermogen ontvangen GNSS signaal C (dbw) à Carrier-to-Noise-Power-Density ratio C/N 0 (db-hz) 38.5 à Bandbreedte GNSS (GPS) ontvanger (db-hz) Ruisvermogen in bandbreedte P N = ktb (dbw) Signaal-Ruis verhouding C/P N (db) Voor een front end inclusief antenne is de vermogensdichtheid van de ruis (N 0 ) ongeveer dbw/hz. Het totale ruisvermogen in een bandbreedte van 2 respectievelijk 20 MHz is dan -138 dbw en -128 dbw. Bij een bandbreedte van 2 MHz betekent dit dat het vermogen van een signaal vanuit het zenit 16.5 db (= ) onder het ruisniveau ligt en van een signaal ontvangen van de horizon 24.5 db (= ). Bij een bandbreedte van 20 MHz zijn deze vermogens nog 10 db slechter (Misra & Enge, 2006). 12

14 5.3 Automatic Gain Control Het signaal dat uit het front end komt is bemonsterd, maar nog niet gekwantiseerd. Kwantiseren gebeurt in de Analog to Digital Converter (ADC). Afhankelijk van het aantal bits van de ADC is een Automatic Gain Control (AGC) niet (1 bit ADC) of wel (meer bits ADC) nodig. De AGC zorgt ervoor dat de ADC altijd een signaal van hetzelfde niveau (spanning) krijgt toegevoerd. Indien het ontvangen signaal zwak/sterk is dient de AGC meer/minder te versterken (Grewal, Weill, & Andrews, 2001). 5.4 Analog to Digital Converter. De ADC zet het signaal, dat in amplitude nog steeds analoog is, om naar digitaal. Wanneer een 1-bit ADC wordt gebruikt wordt bijvoorbeeld een +1 gegenereerd indien de spanning van het signaal positief is en een 0 (of -1) indien de spanning van het signaal negatief is. Bij een meer bits ADC wordt de spanning van het ontvangen signaal omgezet in een digitaal getal, dat afhankelijk is van de grootte van de spanning en het aantal bits. Om de conversie eenduidig te laten zijn dient een bepaalde spanning altijd aan hetzelfde digitale getal gekoppeld te worden. Dit vereist dat de ingangsspanning altijd hetzelfde niveau heeft, hetgeen een AGC noodzakelijk maakt. 5.5 Code Tracking Loop / Delay Lock Loop Het (digitale) signaal, dat de Delay Lock Loop (DLL) ingaat, heeft een signaal-ruis verhouding van rond de -20 db (zie tabel 2). Het vermogen van het signaal is dus veel kleiner (factor 100) dan het vermogen van de thermische ruis. Eén van de taken van de DLL is het signaal boven het thermische ruisniveau uit te tillen. Dit wordt gerealiseerd door het ontvangen signaal te correleren met een replica van de afstandcode C. Op het moment dat beide signalen gesynchroniseerd zijn, is het vermogen geconcentreerd in de bandbreedte van de navigatieboodschap. Een belangrijke grootheid van de DLL is de zogenaamde Processing Gain G P. G P is bij benadering gelijk aan de verhouding tussen de bandbreedte van de code B C en de bandbreedte van de navigatieboodschap B D. Voor een GNSS signaal met een bandbreedte van de code en de navigatieboodschap van 2 MHz respectievelijk 100 Hz is G P ongeveer (43 db). Na het passeren van de DLL is een schatting van t g beschikbaar. Omdat de ontvangen code nu gecorreleerd is met de zelf opgewekte code heeft C(t-t g ) nu de waarde 1. Het signaal s DLL (t) dat de DLL verlaat kan geschreven worden als: $%% & ' 2 sin! "! Voor het gemak wordt de term (-ϕ IF +θ) in het vervolg geschreven als ϕ 0 en wordt de amplitude geschreven als A: sin! " ( De bandbreedte van het signaal is nu gereduceerd tot de bandbreedte van de navigatieboodschap. De signaal-ruis verhouding is nu vergroot van -20 db aan de ingang van de DLL tot = 23 db aan de uitgang. 5.6 Carrier Tracking Loop / Phase Lock Loop In de PLL wordt door een oscillator een signaal s o (t) opgewekt dat geschreven kan worden als ) sin! * "+ (. Hierin zijn de grootheden * en "+ ( schattingen van de 13

15 doppler respectievelijk de fase van het ontvangen signaal. Door het ingangssignaal s C (t) te vermenigvuldigen met s 0 (t) ontstaat een signaal s P (t) dat bestaat uit twee componenten:, -.! 2 " (! * "+ ( -.! 2 " (! * "+ ( De eerste term heeft een veel hogere frequentie dan de tweede en wordt door middel van een filter onderdrukt zodat overblijft:, -. 2 * " ( "+ ( In de PLL wordt vervolgens de oscillator zodanig gestuurd dat * en "+ ( gelijk worden aan en " (. Op het moment dat deze toestand is bereikt, wordt het argument van de cosinus gelijk aan nul en blijft in essentie de navigatieboodschap D(t) over. 5.7 Control Laws In iedere ontvanger zit een onderdeel dat de toestand (status) van de ontvanger bewaakt en op basis van metingen en de zogenaamde control laws bepaalt in welke status de ontvanger moet blijven of gebracht moet worden. De volgende statussen zijn voor militaire GPS ontvangers gedefinieerd (Hegels, 2002). Andere GNSS ontvangers beschikken over een vergelijkbare verzameling control laws. Status 1, Normal Acquisition. Op basis een schatting van de doppler, die afgeleid is uit de almanac gegevens en op basis van een schatting van de positie, snelheid en tijd probeert de ontvanger het C/A code signaal te onderscheppen (lock). Na lock on van de C/A code en detectie van het Hand-over Word probeert de ontvanger een lock on op de P-code te realiseren. Status 2, Direct Acquisition. In plaats van via de C/A code probeert de ontvanger direct een lock on te realiseren via de P-code. Daarvoor zijn een nauwkeuriger schatting van de positie, snelheid en tijd nodig. Status 3, Code Lock 1. In deze status is de ontvanger gelocked op de P- of C/A code en is de ontvanger in staat code (looptijd) metingen uit te voeren, zij het niet met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid. Status 4, Carrier Lock. In deze status is de ontvanger gelocked op de draaggolf en kan codeen fasemetingen uitvoeren, zij het niet met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid. Ook is de ontvanger in staat de navigatieboodschap te demoduleren. Status 5, Code + Carrier + Data Demodulation. Dit is onder normale omstandigheden (geen storing) de gewenste status. De ontvanger is in staat nauwkeurige code- en fasemetingen uitvoeren en de navigatieboodschap te demoduleren. Status 7, Signal Reacquisition 2. Wanneer het signaal niet meer ontvanger wordt, of door een andere oorzaak een loss of lock optreedt, gaat de ontvanger in deze status proberen opnieuw op de code en de draaggolf te locken. 1 In (Hegels, 2002) wordt deze status ook Direct Acquisition genoemd. Gezien de tekst wordt bedoeld Code Lock. 2 In (Hegels, 2002) komt status 6 niet voor. Het is niet bekend waarom niet. 14

16 6 PNT ontzeggen (Prevent) In dit hoofdstuk komt aan de orde op welke manieren een GNSS ontvanger gestoord kan worden en wat de effecten (kunnen) zijn op diverse onderdelen van een ontvanger. In de literatuur wordt onderscheid gemaakt tussen onopzettelijk storing (disruption) en opzettelijke storing van PNT systemen (US Department of Transportation, 2001). Bij opzettelijke storing wordt nog onderscheid gemaakt tussen jamming, spoofing en meaconing Onopzettelijke storing Onopzettelijke verstoring loopt te boek als Radio Frequency Interference (RFI) en kan onder andere veroorzaakt worden door (hogere harmonischen van) uitzendingen van Radio en TV, radar, systemen voor draadloze communicatie, Ultra Wide Band communicatiesystemen, amateur radio en slecht functionerende elektrische apparatuur. 6.2 Jamming Onder jamming wordt verstaan the emission of radio frequency energy of sufficient power and with proper characteristics to prevent receivers in the target area from tracking GPS signals (US Department of Transportation, 2001). Deze definitie is geheel toegesneden op GPS, maar is onverkort bruikbaar in geval van andere systemen voor PNT. Voor deze vorm van storing is een groot scala aan stoorzenders via het internet beschikbaar, die één of meer van de volgende signalen kunnen uitzenden Breedbandige ruis J b Dit is storing met een bandbreedte die groter is dan de bandbreedte van het GNSS signaal (Misra & Enge, 2006). J b is de vermogensdichtheid van de ruis in W/Hz ter plaatse van de ontvangerantenne. Breedbandige ruis kan soms gemodelleerd worden als zogenaamde Additive White Gaussian Noise (AWGN). Het effect van deze vorm van storing is dat het ruisniveau over de hele bandbreedte hoger komt te liggen. Om dit effect op de Carrier-to-Noise Power Density Ratio C/N 0 in rekening te brengen kan J b opgeteld worden bij N Toon interferentie en Smalbandige ruis J t Bij deze vorm van storing wordt een signaal met een vermogen P j op één frequentie of in een smalle band, die in de buurt ligt van de GNSS frequentie, uitgezonden. Door het proces in de DLL wordt dit stoorsignaal over een grote bandbreedte uitgespreid en krijgt een vermogensdichtheid van P j /G P W/Hz. G p is in dit geval de verhouding tussen de bandbreedte van de code en de bandbreedte van het stoorsignaal. Hoewel J t over een grote bandbreedte wordt uitgespreid, kan de vermogensdichtheid bij voldoende stoorvermogen toch veel groter worden dan N 0. In dit geval kan het effect verrekend worden door de noemer van de C/N 0 te vervangen door N 0 + P j /G P Pulsed noise/cw Breed- of smalbandige ruis of tonale interferentie kan ook in de vorm van pulsen worden uitgezonden. Bij een pulsduur van T s bezet de puls een bandbreedte van ongeveer 2/T Hz, die als extra ruis bij N 0 moet worden opgeteld. In eerste instantie is het effect dus vergelijkbaar met continu uitgezonden ruis of tonale interferentie zij het dat het gemiddelde piekvermogen bij pulsen hoger moet zijn om hetzelfde effect te verkrijgen. Toepassen van storing in de vorm van hopping frequency heeft een vergelijkbaar effect. 3 De term meacon is een contaminatie van m(islead) en (b)eacon. Het is een nogal bijzondere term, omdat niet het baken wordt misleid, maar de ontvanger. 15

17 Doordat bij storing in de vorm van pulsen niet continu een (stoor)signaal de ontvanger binnenkomt, kunnen met deze vorm van storing met name de AGC en de circuits die de Control Laws regelen zodanig bezig gehouden worden dat zij niet meer aan hun eigenlijke taak toekomen. Wanneer bijvoorbeeld de tijdconstante van de AGC van de te storen ontvanger bekend is, kan de pulsduur zodanig ingesteld worden, dat de AGC continu de versterking moet bijregelen. Zie figuur 3. maximale versterking AGC normale versterking AGC verwachte GNSS vermogen minimale versterking AGC t 1 t1 + τ t 2 t2 + τ tijd Figuur 3. Verstoren van de correcte werking van de AGC. Op t 1 wordt een stoorpuls ontvangen. Omdat nu meer vermogen de ontvanger binnenkomt regelt de AGC na verloop van de tijdconstante τ de versterking van normaal terug naar (bijvoorbeeld) minimaal. Op het moment dat de versterking minimaal is (t 2) stopt de storing, waardoor de AGC na verloop van τ de versterking weer terugregelt naar normaal. Enzovoort. (Hegels, 2002) Twee Toon Interferentie Voor deze vorm van storing is kennis nodig van de IF die door de te storen GNSS ontvanger wordt gebruikt. Het stoorsignaal bestaat uit twee signalen (tonen) die in de buurt van de GNSS draaggolffrequentie liggen en een bedrag IF in frequentie van elkaar verschillen. Het exacte (niet lineaire) mechanisme van deze vorm van storing wordt uit (Hegels, 2002) niet duidelijk, maar het effect is dat een gelijkstroomsignaal in de ontvanger wordt gegenereerd, die het detecteren van de navigatieboodschap verstoort Swept Tone / Chirp Door het binnen zekere grenzen (langzaam) variëren van de frequentie van het stoorsignaal kunnen alle ontvangen GNSS signalen (ongeacht hun doppler) beïnvloed worden, waardoor de PLL lockt op het stoorsignaal. Tabel 3 geeft een overzicht van de diverse onderdelen van een GNSS ontvanger die in eerste instantie door een bepaalde vorm van storing worden beïnvloed. Indien een bepaalde vorm van storing maar krachtig genoeg is, zal ieder onderdeel van een ontvanger op enig moment zodanig worden beïnvloed dat het niet meer correct functioneert. Tabel 3. Invloed van verschillende typen jamming op de diverse onderdelen van een ontvanger (Hegels, 2002). Onderdeel ontvanger Type of jamming Front end AGC/ ADC DLL PLL Control laws Toon interferentie / Smalbandige ruis Breedbandige ruis / AWGN Pulsed noise/cw; hopping frequency 16

18 Twee toon interferentie Swept tone/chirp De meest voorkomende bron van jamming wordt waarschijnlijk veroorzaakt door zogenaamde Personal Privacy Devices (PDD). Dit zijn stoorzenders die in eerste instantie bedoeld zijn om GNSS binnen een zeer klein gebied te storen. De meeste gebruikers zetten deze stoorzenders in om te voorkomen, dat hun voertuig gevolgd kan worden door bijvoorbeeld de werkgever, justitie (in geval van gestolen voertuigen) of wie dan ook. Hoewel PDD s niet het oogmerk hebben om PNT binnen een groter gebied onmogelijk te maken, is dit wel één van de ongewenste neveneffecten die veel gebruikers zich niet realiseren (Pullen & Xingxin Gao, 2012). 6.3 Meaconing en Spoofing Storing in de vorm van jamming leidt er uiteindelijk toe dat een GNSS ontvanger geen PNT informatie meer genereert, waardoor de gebruiker gealarmeerd wordt. Meaconing en spoofing zijn vormen van storing, waarbij een vals GNSS signaal wordt uitgezonden dat niet van echt te onderscheiden is. Daardoor lijkt de GNSS ontvanger normaal te functioneren en wordt de gebruiker niet gealarmeerd Meaconing Bij meaconing worden de GNSS signalen door de stoorzender versterkt en opnieuw uitgezonden. Een (andere) GNSS ontvanger kan vervolgens op deze signalen locken, waardoor de betreffende ontvanger de PNT gegevens van de stoorzender genereert. De gebruiker van deze ontvanger kan dit detecteren omdat de positie en overige PNT informatie een sprong zal vertonen van de eigen positie naar de positie van de stoorzender op het moment dat de GNSS ontvanger op de meaconing signalen is gelocked. In (Akos, 2012) wordt een experiment beschreven waarbij een GNSS ontvanger succesvol wordt misleid en de PNT gegevens van de stoorzender genereert Spoofing In plaats van ontvangen GNSS signalen opnieuw uit te zenden, worden bij spoofing één of meer bestaande GNSS signalen (code + data) gegenereerd en verzonden. De signalen moeten zodanig uitgezonden worden, dat zij bij de te spoofen ontvanger voor iedere satelliet leiden tot de te verwachten looptijd (t g ) en doppler (ω d ). Dit betekent dat positie, koers en vaart van het te spoofen platform voldoende nauwkeurig en in real time bekend moeten zijn (Hegels, 2002). Op het moment dat de doelontvanger zijn PNT informatie niet meer berekent aan de hand van de echte maar aan de hand van de gespoofte signalen treedt nu geen sprong op (zoals bij meaconing). De ontvanger kan aan de hand daarvan dus niet detecteren dat er gespooft wordt. Vanaf dat moment kan de spoofer door het manipuleren van t g en ω d het gespoofte platform in principe elke gewenste baan laten volgen. Hoewel spoofen niet eenvoudig is hebben experimenten aangetoond dat het niet onmogelijk is (Bhatti, Shepard, & Humphreys, 2012). Naast het spoofen van de GNSS signalen zelf kan ook de datalink van een DGNSS systeem gespooft worden. 17

19 6.4 Incidenten Moss Landing Harbour 2001 Slecht functionerende elektrische apparatuur heeft er in 2001 voor gezorgd, dat GPS vrijwel onbruikbaar was in een gebied met een straal van 3 km rond Moss Landing Harbour in Californië. Ook een DGPS referentiestation ondervond hinder van deze vorm van RFI. Het heeft onderzoekers veel tijd gekost om er achter te komen dat de storing veroorzaakt werd door de voorversterker van een VHF/UHF TV antenne aan boord van één van de jachten in de haven. Na verwijdering van deze stoorbron bleek het probleem nog niet opgelost, omdat nog twee andere antennes van hetzelfde soort in het gebied actief waren (Clynch, Parker, Adler, Vincent, McGill, & Badger, 2003) San Diego 2007 In januari 2007 bleken in San Diego onverwacht allerlei (elektronische) apparaten niet meer te functioneren. De lucht- en zeeverkeersleiders stelden vast dat hun respectieve systemen niet meer naar behoren werkten. De oproepsystemen ( piepers ) van artsen in een Marine Hospitaal werkten niet meer. Mobiele telefoons en geldautomaten leken eveneens de geest te hebben gegeven. De verstoring van de diverse systemen duurde ongeveer twee uur. Vervolgens kostte het drie dagen om er achter te komen dat een oefening van de Amerikaanse Marine de oorzaak was. De oefening was bedoeld om communicatiesystemen te storen, maar onbedoeld werden ook de GPS signalen verstoord (Hambling, 2011) RQ-170 Sentinel 2011 In december 2011 verraste Iran de westerse wereld door een RQ-170 Sentinel Unmanned Aerial Vehicle van de CIA gecontroleerd te laten landen binnen zijn grondgebied. Het is niet duidelijk hoe Iran dit precies gedaan heeft, maar het heeft er alle schijn van dat eerst de datalink tussen de UAV en het control station is verstoord (jamming) en vervolgens zijn GPS ontvanger is gespooft (Peterson, 2011). 18

20 7 PNT beschermen (Protect) In de voorgaande hoofdstukken is de globale werking van een GNSS ontvanger besproken en de wijze waarop de correcte werking verstoord kan worden. In dit hoofdstuk komt aan de orde op welke wijze de effecten van storing geminimaliseerd kunnen worden. Onderscheid wordt gemaakt tussen het detecteren van storing (in welke vorm dan ook) en het ongedaan maken van de storing. In het eerste geval kan de betreffende GNSS ontvanger niet meer voor PNT informatie gebruikt worden, maar is de gebruiker in ieder geval op de hoogte van de aanwezigheid van de storing en kan hij op een andere systeem voor PNT overstappen. In het tweede geval is de gebruiker niet alleen op de hoogte van de storing, maar kan hij ook zijn GNSS ontvanger blijven gebruiken voor PNT. In de literatuur wordt soms onderscheid gemaakt tussen de zogenaamde space bound - en earth bound approach (Hegels, 2002). 7.1 Space bound approach Bij de space bound approach wordt het voorkomen en detecteren van de diverse vormen van storing gezocht in het door een satelliet uitgezonden vermogen en in de signaalstructuur Uitgezonden vermogen Eén van de manieren om de effecten van met name jamming en onopzettelijke interferentie te verminderen is het vergroten van het ontvangen vermogen van het GNSS signaal. Dit zou kunnen door het bij de satelliet uitgezonden vermogen te vergroten. Dit is echter niet eenvoudig. Een satelliet heeft voor zijn boordsystemen ongeveer 1500 W (elektrisch) vermogen nodig, dat opgewekt moet worden door middel van zonnepanelen. De vermogensdichtheid van de zon ter plaatse van de satelliet is ongeveer 1400 W/m 2, maar omdat het rendement van zonnepanelen ongeveer 20% bedraagt, levert een paneel maar 280 W/m 2. Dit betekent dat 5 á 6 m 2 zonnepaneel benodigd is. Omdat het rendement van een zonnepaneel ten gevolge van de agressieve omgeving waarin hij moet functioneren met ongeveer 3% per jaar vermindert en omdat het benodigde vermogen ook aan het einde van de levensduur van de satelliet (15 jaar) gegenereerd moet kunnen worden, moet ongeveer 10 m 2 aan zonnepanelen geïnstalleerd worden (Cairns, 2003). Meer zonnepanelen is weliswaar mogelijk, maar vergroot het totaal gewicht van de satelliet, waardoor de kosten voor de lancering (20000 á $/kg) weer toenemen. Met andere woorden het vergroten van het vermogen is onder normale omstandigheden geen optie. De komende generatie GPS satellieten wordt voorzien van een zogenaamde spot beam mode. Bij deze mode kan het vermogen van de M-code van een satelliet binnen een bepaald gebied (de Scene of Action) met 20 db verhoogd worden ten behoeve van militaire operaties. Onder welke omstandigheden of voorwaarden deze mode wordt geactiveerd is (nog) niet bekend. Vergroting van het vermogen van de M-code met 20 db gaat ongetwijfeld ten koste van het verkleinen van het vermogen van de overige uitgezonden codes Signaalstructuur De effecten van spoofing kunnen verminderd worden door het toevoegen van authenticatie mechanismen zoals Signal Access Control (SAC), Navigation Data Access Control (NDAC) en Navigation Message Authentication (NMA) (Wullems, Pozzobon, & Kubik, 2005). Bij SAC is sprake van het versleutelen van de code zoals dat bij GPS gebeurt bij de P(Y) code; bij NDAC wordt de navigatieboodschap versleuteld. Bij toepassing van NMA wordt in de navigatieboodschap extra informatie meegezonden in de vorm van een digitale handtekening. In alle gevallen moet de ontvanger voorzien zijn van de juiste sleutel. 19