CC BY
37
П. Д. Коратаев,
кандидат технических наук, Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж)
А. Н. Махортых,
Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж)
М. Ю. Пакляченко,
кандидат технических наук
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМА АВТОНОМНОГО КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ SPOOFING АТАК
A STUDY OF THE EFFECTIVENESS OF THE ALGORITHM FOR AUTONOMOUS INTEGRITY MONITORING OF THE USER EQUIPMENT OF GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS, OPERATING IN CONDITIONS OF SPOOFING ATTACKS
Проведено исследование аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем в условиях преднамеренных помех — Spoofing атак. Приведены способы решения указанной проблемы в части повышения целостности навигационных определений аппаратуры потребителей с применением RAIM-алгоритмов. Описана модель движения навигационных спутников, разработана модель контроля целостности аппаратуры потребителей, выполнена оценка эффективности применения RAIM-алгоритмов для аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем, функционирующей в штатных условиях.
The study of the equipment of global navigation satellite systems consumers in the conditions of deliberate interference — spoofing attacks. Methods for solving this problem are
described in terms of increasing the integrity of navigation definitions of consumer equipment using RAIM algorithms. The model of the movement of navigation satellites is described, The model for monitoring the integrity of consumer equipment is developed, and the effectiveness of using RAIM algorithms for the equipment of consumers of global navigation satellite systems operating under standard conditions is evaluated.
Анализ применения аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем (АП ГНСС) говорит о возникающих погрешностях при определении позиционирования навигационного приемника, при этом неверное измерение может получиться в результате воздействия преднамеренных и непреднамеренных помех. К непреднамеренным помехам относятся ионосферные и тропосферные задержки, мно-голучевость сигнала, неисправность спутника, наличие шумов в каналах приемной части, низкое качество условий приема навигационного сигнала [1, 2]. К преднамеренным помехам относят радиоэлектронное подавление и Spoofing атаки.
Spoofing атака в контексте ее применения к АП ГНСС представляет собой воздействие, цель которого создать ложные условия для АП ГНСС за счет широковещательной передачи более мощного сигнала, чем получаемый АП от спутников ГНСС, при этом максимально схожего с перечнем нормальных посылок ГНСС.
Подобные имитационные сообщения модифицированы таким образом, чтобы получатель определял свое позиционирование неверно, воспринимал его в интересах атакующего. Атакующая сторона имеет возможность вести Spoofing атаку с нескольких направлений и создавать для приемника ГНСС любую виртуальную конфигурацию спутников, при этом АП ГНСС не может отличить виртуальные координаты от подлинных.
В настоящее время АП ГНСС не имеет специализированной защиты от возможных Spoofing атак. Одним из возможных вариантов противодействия навигационных приемников подобным атакам является использование автономных алгоритмов контроля целостности (RAIM-алгоритмов), реализованных в современной АП.
Отмечтенные алгоритмы в приемниках навигационных систем основаны на использовании избыточной информации, получаемой от сети навигационных спутников (НС), и предназначены для выявления неисправных спутников. Отмеченный принцип возможно применять в борьбе со Spoofing атаками, однако в существующих научных изысканиях, имеющихся в открытом доступе, не содержится информации об эффективности использования RAIM-алгоритмов в борьбе со Spoofing атаками.
На основе вышеизложенного возникает актуальность рассмотрения возможности использования современных RAIM-алгоритмов в борьбе со Spoofing атаками, их практическая доработка и апробация для решения данной задачи.
С целью повышения целостности навигационных определений АП ГНСС в условиях ведения Spoofing атак необходимо решить следующие задачи:
- описать модель движения НС, входящих в орбитальную группировку ГНСС;
- разработать модель алгоритма автономного контроля целостности АП, функционирующей в условиях Spoofing атак;
- провести оценку эффективности предлагаемых RAIM-алгоритмов.
При решении первой задачи (моделирование движения НС, входящих в состав ОГ) за основу взят алгоритм определения геоцентрических координат НС по данным альманаха, в основу которого положено невозмущенное движение спутников.
Для решения второй задачи рассмотрен КАГМ-алгоритм, реализованный в большинстве современной АП ГНСС. Основная цель работы алгоритма состоит в обнаружении и исключении из состава измерений потребителя аномальных измерений. Указанное допустимо реализовать ввиду избыточности проводимых измерений.
Известно, что в процессе применения ГНСС потребителю видны более семи спутников, а аномальное их количество, которое достаточно для определения координат, равно четырем [3, 4]. Если принимаются сигналы от четырех спутников, то местоположение приемника с высокой вероятностью будет определено, однако при этом возникнет множество вопросов относительно точности определений.
Также возможна ситуация, когда полученная информация о позиционировании будет не соответствовать фактическому местоположению, например, по причине поломки одного из спутников, выдавшего ошибочные сведения. Возможность исключить аномальное измерение будет определяться наличием дополнительного спутника, учитываемого в рамках реализации ЯАГМ-алгоритма.
Для исполнения заключительной из указанных задач (оценку эффективности алгоритмов) в качестве характеристического показателя будет выбрано среднеквадратичное отклонение (СКО) определения координат в плоскости.
Построение модели движения НС осуществлено по блочному принципу и реализовано в программной среде 81шиНпк (рис. 1). Кратко опишем процесс моделирования.
Рис.1. Структурная схема блока имитации движения ОГ ГНСС
Блок имитации движения ОГ ГНСС предназначен для расчёта положения спутников (геоцентрических координат) по альманаху системы в текущий момент в течение заданного времени моделирования. За основу блока имитации движения ОГ взята модель невозмущённого движения. Начальными значениями для расчётов выбраны стартовые показатели орбитальных элементов НС (таблица).
Исходные данные для расчётов
№ п/п Параметр Значение
1 N календарный номер суток внутри четырехлетнего периода от начала ближайшего високосного года, на который даны элементы орбиты НС
2 ^л время прохождения восходящего узла, ближайшего к началу суток с номером N, с
3 Л долгота восходящего узла в системе координат ПЗ-90 на момент Л, рад
4 А/ поправка к среднему значению наклонения орбиты на момент 1 л , рад
5 АТ поправка к среднему значению драконического периода обращения НС
6 е эксцентриситет орбиты на момент 1 л
7 аргумент перигея, рад
8 г тек текущее время, на которое рассчитываются параметры движения НС, с
9 N тек номер суток внутри четырехлетнего периода, на которые рассчитываются значения орбитальных элементов НС
В субблоке 1 определяются текущие значения классических (кеплеровских) элементов орбиты по следующим соотношениям:
/ = /сР + А/; (2)
Т,р = Тср + АТ ; (3)
П = 2л/Тдр ; (4)
а = 3/ЦП2 , (5)
где / — текущее значение наклонения орбиты НС; / — среднее значение наклонения орбиты НС;
Т — текущее значение драконического периода обращения НС;
Т — среднее значение драконического периода обращения НС;
П — среднее движение НС; а — большая полуось орбиты НС;
и — геоцентрическая гравитационная постоянная Земли.
В субблоке 2 рассчитываются поправки к орбитальным элементам НС, учитывающие несферичность Земли:
Х=л + (л)-Atnn; (6)
m =m+тп ■ Atnn; (7)
Atnn = 86400 ■ (N,, - N) + /тек -tх; (8)
А = -10 ■(R/af2 ■ cos(i)^/(\80 ■ 86400); (9)
m = 5■(R/a)7/2 ■ (5■ cos2(i)-1);г/(180■ 86400), (10)
где R3 — экваториальный радиус Земли; сз — скорость вращения Земли.
В субблоке 3 рассчитывается эксцентрическая аномалия Е на текущий момент времени ¿тек с помощью рекуррентного решения уравнения Кеплера [1]:
E{k+1)= M + е ■ sin(E(к)), (11)
где M — средняя аномалия.
Средняя аномалия M эпохи tTeK определяется в соответствии с выражением
M = n -(/тек -т), (12)
где т = t л + <5Тп — время прохождения перигея, которое можно определить как сумму времени прохождения восходящего узла и времени STn движения НС от восходящего узла до перигея. Учитывая привязку времени t л к суткам с номером N, а времени tTeK к суткам с номером Nтек , с учётом (8) уравнение для средней аномалии принимает вид
M = n ■Кп-Т). (13)
Время STn можно определить с использованием уравнений Кеплера следующим образом [1]. Пусть Еп — эксцентрическая аномалия, соответствующая истинной аномалии 3 = со". Тогда в соответствии с [1]:
г гттр
Еп = 2 ■ arctg
tg
m
2
1 + е
(14)
V V 2 у 111 еу
Из уравнения (14) для эксцентрической аномалии Еп можно определить среднюю аномалию:
Мп = Еп -е • 8/П{Вп). (15)
Тогда для интервала времени ЗТп справедливо соотношение
Т = м>+ь, (16)
где Ь = 0, если <оа<л ; Ь = Т , если о* > л.
.если m
др -
(0) _
Рекуррентное уравнение (15) решается с начальным условием Е ^0) = М методом итераций до тех пор, пока не будет выполняться условие
Е (к+1)- Е(к)
< 3 • 10-8. (17)
В субблоке 4 определяются координаты НС в орбитальной прямоугольной системе ОХ^2, лежащей в орбитальной плоскости с началом в центре Земли, при этом ось X направлена вдоль фокальной оси к перигею, ось Х2 — по нормали к фокальной оси:
х°р = a -(cos(e(k+1))-e); (18)
х2ор = a -V1 - e2 - sin(E(k+1)). (19)
В субблоке 5 выполнен пересчёт ортов орбитальной прямоугольной системы OXX2 в систему координат ПЗ-90 за счёт трёх поворотов орбитальной системы на углы a*, i, X. Тогда соотношения для проекций ортов орбитальной прямоугольной системы координат целесообразно представить как
0 * о* - * • о* • . /лл\
exl = cos a* - cos X — sin a* - sin X - cos i; (20)
e^ = cos с* - sinX + sine*- cos X - cosi; (21)
= sin a* - sini. (22)
В субблоке 6 реализуется трансформация координат НС из орбитальной системы в систему координат ПЗ-90. При этом значения координат НС в системе ПЗ-90 будут устанавливаться исходя из выражения
хнс = x^ - e0 + х2р - e2, (23)
где e° =
0 0 0
ex1 ey1 ez1
, e02 = \e02 eyy2 e02j — векторы проекций ортов орбитальной прямоугольной системы на оси системы координат ПЗ-90.
Таким образом, на выходе блока имитации движения ОГ ГНСС получаем векторы геоцентрических координат НС. При моделировании процесса вычисления координат АП ГНСС использован метод статистической обработки с применением метода наименьших квадратов. Навигационный приемник реализует RAIM-алгоритм используемый в современных навигационных приемниках [4].
Имитация Spoofing атак производится путем подачи сигналов с ложной информацией в орбитальную ГС, передающую сигналы, при этом искажаются псевдодальности до источника атаки, что приводит к изменению геометрического фактора всей ОГ.
С использованием разработанной модели проведен расчет примера для АП ГНСС, функционирующей в штатных условиях, при ведении Spoofing атак по типовым исходным данным:
1. Состав орбитальной группировки ГНСС ГЛОНАСС получен по данным анализа альманаха от 2 января текущего года и эфемеридных сообщений, принятых в ИАЦ.
2. Расчет выполнен для группировки ГЛОНАСС в составе 24 спутников.
3. Координаты точки наблюдения 50о с.ш. и 40о в.д.
В работе рассматривались различные варианты ведения атак:
1. Атака с одного направления при ложных псевдодальностях в 50,100 и 300 м;
2. Атака с трех направлений при ложных псевдодальностях в 100, 300, 500 м.
С помощью разработанной имитационной модели были получены значения СКО от времени суток как при отсутствии атаки, так и при ее наличии. Результаты представлены на рис. 2, 3.
На рис. 2 представлены графики СКО АП ГНСС при атаках с одного направления при различных ложных псевдодальностях, как без использования RAIM-алгоритма, так и с ним.
По данным зависимостям можно наблюдать, что алгоритм показывает свою эффективность при введении Spoofing атаки с одного направления и выявляет данную атаку как аномальное измерение независимо от значений ложной информации, передаваемой с атакующего источника.
На рис. 3 представлены графики СКО АП ГНСС при атаках с трех направлений при различных ложных псевдодальностях, без использования RAIM-алгоритма и с его применением.
Основываясь на графическом подтверждении результатов испытаний, можно заключить, что предлагаемый алгоритм контроля целостности не способен выявлять одновременно три аномальных измерения. Погрешность в определении координат при осуществлении Spoofing атак с трех направлений достигает 400 м.
СКО, м 120
100
80
60
40
20
в ft Л ЛЯН Ц гт п ft>r -- ш
-Время, с
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000
50(1)
100(2)
500(3)
50(4)
100(5)
500(6)
Рис. 2. СКО АП ГНСС при Spoofing атаках при ложной псевдодальности с одного направления: 1 — 50 м (без RAIM); 2 — 100 м (без RAIM); 3 — 500 м (без RAIM); 4 — 50 м (с RAIM); 5 — 100 м (с RAIM); 6 — 500 м (с RAIM)
СКО, м 450
400 350 300 250 200 150 100 50 0
¿-W
10000 20000 - 100(1) - ■
30000 40000 50000 ■ 300(2) -500(3)
Время, с
60000 70000 80000 90000 100000 ...... 100(4) -----300(5) - • - 500(6)
Рис. 3. СКО АП ГНСС при Spoofing атаках при ложной псевдодальности с трех направлений:
1 — 100 м (без RAIM); 2 — 300 м (без RAIM); 3 — 500 м (без RAIM); 4 — 100 м (с RAIM); 5 — 300 м (с RAIM); 6 — атака при ложной псевдодальности 500 м (с RAIM)
149
0
0
0
Вместе с тем на основании имеющихся результатов можно сделать вывод, что наиболее распространенный RAIM-алгоритм, используемый в современных навигационных приемниках, способен обнаружить единичную Spoofing атаку и исключить из состава измерений потребителя аномальное измерение.
При одновременном увеличении Spoofing атак хотя бы до трех RAIM-алгоритм не способен обеспечивать контроль целостности. Для указанного случая целесообразным видится использование новых подходов к реализации алгоритмов контроля целостности, способных выявлять многопозиционную Spoofing атаку на АП ГНСС, либо альтернативных способов контроля целостности информации, получаемой от ГНСС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перов А. И. Основы построения спутниковых радионавигационных систем. — М. : Радиотехника, 2012. — 240 с.
2. Неровный В. В. Помехоустойчивость мультисистемной аппаратуры потребителей ГНСС. — Воронеж : Научная книга, 2017. — 142 с.
3. Бойков Д. В. Алгоритм автономного контроля целостности навигационного поля // Сборник III Международной научной конференции «Технические науки в России и за рубежом». — М., 2014. — С. 27—32.
4. Руководство по технической эксплуатации Изделия А-73 7 // ФБМИ.461531.006 РЭ, папка № 1. — С. 245.
REFERENCES
1. Перов А. И. Bases of construction of the satellite radionavigation systems. — М. : of Radiotrician, 2012. — 240 p.
2. Uneven В. В. Antijammingness of multisystem apparatus of consumers of ГНСС. it is Voronezh : the Scientific book, 2017. — 142 p.
3. Firing-pins of Д. В. Algorithm of autonomous control of integrity of the navigation field // Collection III to the International scientific conference "Engineering sciences in Russia and abroad". — М., 2014. — С. 27—32.
4. Guidance on technical exploitation of Good А-737 // ФБМИ.461531.006 РЭ, Folder № 1. — С. 245.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Коратаев Павел Дмитриевич. Преподаватель кафедры авиационных систем и комплексов радионавигации и радиосвязи. Кандидат технических наук.
Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а. Тел. 8-920-412-47-17.
Махортых Андрей Николаевич. Командир учебной группы 5 курса факультета авиационного радиоэлектронного оборудования.
Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а. Тел. 8-960-640-00-93.
Пакляченко Марина Юрьевна. Старший преподаватель кафедры радиотехнических систем и комплексов охранного мониторинга. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 8-920-440-38-45.
Korataev Pavel Dmitrievich. Lecturer of the chair of Aviation Systems and Radio Navigation and Radio Communication Systems. Candidate of Technical Sciences.
Military educational scientific centre of Air Forces "Air Force Academy named after Professor N. E. Zhu-kovsky and Y. A. Gagarin" (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Starykh Bolshevikov Str., 54a. Tel. 8-920-412-47-17.
Makhortykh Andrey Nikolaevich. The commander of the 5th year study group of the Faculty of Aviation Electronic Equipment.
Military educational scientific centre of Air Forces "Air Force Academy named after Professor N. E. Zhu-kovsky and Y. A. Gagarin" (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394064, Voronezh, Starykh Bolshevikov Str., 54a. Tel. 8-960-640-00-93.
Paklyachenko Marina Yurievna. Senior lecturer of the chair of Radiotechnical Systems and Security Monitoring Complexes. Candidate of Technical Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 8-920-440-38-45.
Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы; аппаратура потребителей; spoofing атака; RAIM-алгоритм; моделирование.
Key words: global positioning system; equipment of consumers; Spoofing attack; RAIM-algoritm; modelling.
УДК 621.396.98
