Безопасные GPS-приёмники имеют решающее значение для навигационных систем
С ростом автоматизации и роботизации во многих отраслях, от сельского хозяйства и дронов для доставки до беспилотных автомобилей, растёт и спрос на точную и доступную навигацию. При выборе навигационного приёмника крайне важно понимать его уязвимые места и его влияние на навигационную систему. Для роботов и автономных устройств уровень работоспособности является ключом к обеспечению непрерывного и надёжного обслуживания. Также необходимо учитывать безопасность роботов и дронов, работающих рядом с людьми. Глушение или спуфинг необходимо обнаруживать и немедленно помечать, чтобы другие датчики могли взять на себя управление.
Большинство автономных навигационных технологий включают инерциальную навигационную систему (INS, ИНС), которая состоит из ГНСС-приёмника и датчика IMU. В то время как ГНСС-приёмник обеспечивает абсолютное позиционирование с точки зрения глобальных географических координат, IMU (инерциальный измерительный блок) измеряет углы курса, тангажа и крена, которые дают информацию об ориентации движущейся системы.
Спуфинг — это реальная угроза для систем ИНС на основе ГНСС, которая наиболее эффективно устраняется путём включения механизмов безопасности во все подкомпоненты системы. Однако, поскольку спуфинг происходит на уровне сигнала ГНСС, в приёмнике можно использовать ряд сложных методов для обнаружения и подавления спуфинга. Приёмники, разработанные с учётом безопасности и надёжности, устойчивы к уязвимостям ГНСС, таким как глушение и спуфинг. Использование преимуществ такой надёжной технологии экономически выгодно, поскольку позволяет компаниям сосредоточить свои разработки на объединении датчиков и навигации.
Помехи — это своего рода радиопомехи, подавляющие слабые сигналы ГНСС, что приводит к ухудшению точности и, возможно, даже к потере позиционирования. К источникам непреднамеренных помех относятся радиолюбители, морские и авиационные радиолокационные системы, а также электронные устройства, расположенные вблизи приёмника. Существуют также устройства преднамеренного глушения, называемые «глушилками», которые иногда можно найти на борту транспортных средств, пытающихся избежать взимания дорожных сборов.
Спуфинг — это интеллектуальная форма помех, которая заставляет получателя полагать, что он находится в ложном месте. Как глушение, так и спуфинг могут оказать неблагоприятное воздействие на системы ИНС, которые используют позиционирование ГНСС.
В то время как ГНСС обеспечивает абсолютное позиционирование, IMU измеряет относительное движение, которое подвержено кумулятивной ошибке, называемой дрейфом, и требует регулярной «повторной калибровки». В системе ГНСС/ИНС оба датчика объединены таким образом, что ГНСС обеспечивает регулярную «калибровку» IMU, а IMU обеспечивает углы и экстраполяцию или «сглаживание» ГНСС.
Помехи, приводящие к потере позиционирования, означают, что ГНСС-приёмник больше нельзя использовать как часть решения ИНС. Это может привести к увеличению времени инициализации ИНС или к переключению в режим счисления пути (только для решения IMU), при котором позиция начнёт дрейфовать. Помехи также могут привести к выбросам измерений, которые влияют на алгоритмы (т.е. глубокая или жёсткая связь). Однако именно спуфинг представляет наибольшую угрозу безопасности для систем ГНСС/ИНС. Во время спуфинговой атаки решение ИНС может быть «захвачено», если спуфер использует небольшие приращения в позиционировании, которые могут остаться незамеченными при обычных методах защиты от спуфинга.
Использование датчиков, отличных от ГНСС, таких как IMU или одометр, может помочь пометить спуфинг, обнаружив несоответствия между ГНСС и другими датчиками. Хотя такие датчики помогают снизить риск спуфинга, их недостаточно для обеспечения полной защиты, поскольку они выдают только относительное положение, которое подвержено дрейфу. Например, системы ГНСС/ИНС могут иметь дрейф в метр или более, когда видимость спутников теряется на более длительные периоды. Спуферы могут использовать это явление дрейфа для постепенного захвата позиционирования с шагом, сравнимым с ожидаемым дрейфом.
Если спуфинговая атака продолжает позиционировать приращения в пределах допустимых порогов, которые установлены для учета дрейфа, такой механизм не обнаружит её. Вот почему для лучшей защиты системы и устойчивости к спуфингу необходимо заложить несколько системных компонентов как на уровне ГНСС, так и на уровне ИНС.
Система ИНС будет более устойчивой, если приёмник ГНСС сможет указывать на спуфинг или, что ещё лучше, если он может сам смягчить спуфинг. Таким образом, при интеграции решений ГНСС/ИНС крайне важно понимать роль механизмов защиты в ГНСС и выбирать приёмник с сильной внутренней системой защиты от спуфинга или с системой предупреждения.
Как приемник ГНСС, так и ИНС имеют свои собственные механизмы защиты от спуфинга, однако наилучшая устойчивость достигается за счёт комбинации механизмов обнаружения и подавления, работающих вместе на уровне компонентов.
Как и в любой области, связанной с безопасностью, необходимо постоянное совершенствование для поддержания эффективных механизмов защиты от спуфинга и помех. Производители ГНСС обязаны стремиться к наиболее эффективным методам обеспечения безопасности ввиду возрастающих угроз, с которыми сегодня сталкиваются пользователи ГНСС. Инвестируя в ГНСС-приёмники со встроенной отказоустойчивостью, интеграторы могут оставить обеспечение безопасности производителю ГНСС и сосредоточить свои усилия на основном бизнесе и объединении датчиков. На самом деле концепции, обсуждаемые в этой статье, действительны не только для систем ГНСС/ИНС, но и для любой системы объединения датчиков, которая включает ГНСС-приёмник.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
