جنگ ناوبری: کاربرد GNSS در کاهش و رفع تهدیدها

نوشته شده توسط Neil Gerein و Peter Soar

کاربرد GNSS

توپچی Suddes و فرمانده توپچی ها Wiseman، از Y Battery Royal Canadian Horse Artillery (RCHA) برای پیش روی به سمت اهداف خود در راستای پشتیبانی از آنتن ضد اختلال GPS آزمایشی شان، برنامه ریزی می کنند. این عکس به واحد تحقیق و توسعه دفاعی کانادا تعلق دارد.

انسداد تعمدی سامانه های ناوبری ماهواره ای جهانی (GNSS)، شامل GPS آمریکایی، GLONASS روسی، BeiDou چینی و Galileo اروپایی، یک حقیقت است. از آنجایی که بهترین دقت، در دسترس بودن، پوشش جهانی تعیین موقعیت، ناوبری و داده های زمانی (PNT) از طریق GNSS حاصل می شود، انسداد عمدی یک مشکل بزرگ است. فناوری های نوظهور نوید آینده بهتری را می دهند، اما خبر خوب این است که در حال حاضر فناوری ها و راه حل هایی وجود دارند که امکان دست یابی به PNT مستحکم و قابل اعتماد را برای نیروهای حافظ صلح، امکان پذیر می سازند. این استحکام ممکن است از طریق GNSS چند فرکانسه و یا دارای چند پیکربندی، ناوبری چند سنجنده ای، و سامانه های ضد اختلال حاصل شود.

تهدید ناوبری جنگی (NAVWAR)

اختلال عمدی و خودخواسته با نظم رو به رشدی در حال رخ دادن است و حال باید انتظار گسست و تقلب را به عنوان یک جنبه معمول عملیات ها داشته باشیم. چنان که دیگر جنبه های جنگ الکترونیک (EW) غالباً پیش از هر جنبش منجر به مبارزه ای، به قابلیت های PNT حمله می کنند. مثال هایی از اختلال موثر، در بردارنده حوادث اخیر در کره و اوکراین هستند. گمان می شود که اختلالات مکرر ایجاد شده توسط کره شمالی روی سیگنال های GPS، در بازه اوت ۲۰۱۰ تا می ۲۰۱۳، زمانی که هواپیماها و کشتی های بسیاری اختلالاتی را در سیگنال های GPS دریافت شده گزارش کرده اند، تجربه شده است. به تازگی، سازمان امنیت و همکاری اروپا (OSCE) اختلال GPS از رده نظامی را که مستقیماً بر علیه وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) آنها در ماموریت های پایش خاص در اوکراین صورت گرفته بود را گزارش نموده است.

ایجاد اختلال در عین سطح پایین، خائنانه و غیرقانونی بودن، بسیار فراگیر و نافذ است. “ابزارهای حفاظتی شخصی” (PPD) برای از کار انداختن دستگاه های ردیاب وسایل نقلیه به منظور پوشاندن کاربرد وسایل نقلیه در مالکیت شرکت برای اهداف شخصی، و یا بطور مشابه برای از کار انداختن ردیاب های پنهانی که افراد حس می کنند ممکن است به وسایل نقلیه شان متصل شده باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. بدتر از آن، طبق گزارش FBI مختل کننده های GNSS در حال حاضر در حملات خودرو ربایی و برای متوقف ساختن گزارش اضطراری موقعیت مورد استفاده قرار می گیرند: “ابزارهای ردیابی GPS توسط مجرمان درگیر در عملیات های شرورانه مرتبط با سرقت محموله های دریایی و قاچاق ناوگان های کالا، مورد اختلال واقع شده اند”. در سال ۲۰۱۴ پروژه SENTINEL بریتانیا خدمات ماموریت-بحران یا ایمنی-بحران را که نیاز داشتند به سیگنال های GNSS اعتماد کنند، مورد بررسی قرار داد. آنها در یافتند که برخی سایت های کلیدی به طور روزانه ۵ تا ۱۰ حادثه اختلالی را گزارش می کرده اند و این مشکل در حال رشد است.

گیرنده های OEM6

شکل ۱- گیرنده های OEM6 امکانات تعیین موقعیت قابل درجه بندی و با حداقل تاخیر را با نرخ های داده ای بالا، نشان می دهند. آنها از تمامی سیگنال های ماهواره ای آتی GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou پشتیبانی می کنند.

با وجود اظهارات PPD نظیر “این محصول قدرت عملیاتی پایین و شعاع کاری کمی برای جلوگیری از تداخل با سایر ماشین ها و یا سامانه های مهم شهری که بر ناوبری از طریق GPS تکیه دارند، دارد.” برخی از این ابزارها به طور شگفت آوری قدرتمند هستند. (نکته: خوانندگان Military Embeded Systems با حوادث رخ داده در سال ۲۰۱۲ که تداخلات مضری را به سامانه تقویت زمینی (GBAS) در فرودگاه بین المللی Newark Liberty اعمال نمود آشنا خواهند شد.)

Spoofing یک روش حمله ای با هدف جایگزین نمودن داده های ماهواره ای GNSS خوب با سیگنال های اشتباه، از طریق انتشار مجدد و یا تولید سیگنال، و با هدف ارائه داده های موقعیتی و یا زمانی ناصحیح به گیرنده است. عواقب یک حمله Spoofing موفق می توانند بسیار جدی باشند، از آن جمله می توان اطلاعات نشانه روی اشتباه و یا تاثیر بکارگیری یک جابجایی زمانی در نقل و انتقالات مالی با سرعت بالا، اشاره نمود. خوشبختانه، در صورت بکارگیری روش های حفاظتی ساده، دریافت Spoofing بسیار مشکل تر از اختلالاتی است که در بالا به آنها پرداخته شد. کاربران دارای مجوز می توانند از طریق ماژول دسترسی انتخابی ضد Spoofing (SAASM) و کد M که در آینده عرضه می شود، از سیگنال های GPS رمزگذاری شده کنترل شده توسط آمریکا استفاده کنند. سادگی اخذ یک گیرنده غیرنظامی حفاظت نشده، جایی که سرعت آن معلوم است، به طور ویژه توسط یک تیم از دانشگاه تگزاس در آستن نمایش داده شده است. اگرچه، ایجاد تاثیر یکسان روی تعدادی گیرنده بطور همزمان بسیار مشکل است و با افزایش این تعداد تقریباً غیر ممکن می شود.

روش های کاهشی NAVWAR

جلوگیری از رسیدن سیگنال اختلالی به گیرنده GNSS در کاهش تداخلات حیاتی است. برای دست یابی به این هدف، سامانه ضد اختلال آنتن با الگوی دریافتی کنترل شده (CRPA) تاثیرات فوق العاده خود را به اثبات رسانده است. CRPA و ابزارهای الکترونیکی همراه آن به نحوی پویا الگوی دریافت ظاهری آنتن را تغییر می دهند تا در مسیر سیگنال های تداخلی فضای خالی ایجاد کنند. این تغییر، سطح سیگنال تداخلی وارد شده به بخش های الکترونیکی گیرنده GNSS را بطور موثری کاهش می دهد. دشمن می تواند توان اختلال را حتی تا جایی که بخش های الکترونیکی آنتن اشباع شوند افزایش دهد، اگرچه ایجاد کنندگان اختلال با قدرت بالا معمولاً خود را در معرض شناسایی و روش های تعیین موقعیت قرار می دهند.

شکل ۲- آنتن ضد اختلال NovAtel GAJT یک آنتن GPS تک واحدی است که در وسایل نقلیه زمینی نظامی مورد استفاده قرار می گیرد.

در حالیکه سیگنال های کم توان GNSS در برابر اختلال آسیب پذیر هستند، سایر سنجنده های ناوبری می توانند حفاظت در برابر NAVWAR را پدید آورند. سنجنده های اینرشیال در حال حاضر ثبات بلند مدت GNSS را ندارند، اما از آنجایی که این سنجنده ها به سیگنال های رادیویی تکیه ندارند در برابر اختلال و Spoofing ایمن هستند. سنجنده های اینرشیال می توانند به عنوان یک ارزیاب استحکام در کنار سنجنده های GNSS در طول زمان هایی که Spoofing رخ می دهد، بکار گرفته شوند. همچنین در صورتی که به مولفه های حرکتی راه حل اینرشیال توجه شود، می توان در هنگام قطع طولانی مدت سیگنال های GNSS به آنها تکیه کرد. افزودن اندازه گیری های اضافی انجام شده توسط سنجنده های متحرک، توان مقابله با اختلال و Spoofing را بیشتر می کند.

گیرنده های GNSS چندفرکانسه از طریق تنوع فرکانس ها یک سپر حفاظتی در برابر اختلال را فراهم می آورند، اگرچه اختلال عمدی معمولاً تمامی فرکانس های GNSS را در بر می گیرد. حفاظت اساسی در برابر Spoofing از طریق در اختیار داشتن گیرنده های GNSS چندفرکانسه/دارای چند پیکربندی امکان پذیر می شود، چرا که حمله Spoofing همزمان علیه سیگنال های GPS، GLONASS، BeiDou و Galileo سخت و پرهزینه است. کاربران دارای مجوز گزینه فوق العاده بکارگیری گیرنده های دارای قابلیت SAASM که امکان دست یابی به سیگنال های رمزگذاری شده GPS را فراهم می سازد را نیز در اختیار دارند (شکل ۱).

عدم امکان دسترسی به GNSS

طراحان، کارکنان و کاربران از تهدید NAVWAR آگاهند. به عنوان یک نتیجه، در حال حاضر نیاز به تجهیزات جدیدی که در شرایط “عدم دسترسی به سیگنال های GPS/GNSS” قابل بکارگیری باشند، به امری معمول بدل شده است. تلاش برای دست یابی به داده های بیشتر فرای عبارت “عدم امکان دسترسی به سیگنال های GNSS”، چه بصورت تصادفی و چه عمدی، ارزشمند است، چرا که این انسداد می تواند در نتیجه عوامل مختلفی رخ داده و روش مقابله با آن نیز متفاوت باشد. بنابراین، ارائه توضیح در ارتباط با ملزومات می تواند مفید باشد. در دست داشتن اطلاعات جزئی در ارتباط با علت عدم دسترسی (انسداد، اختلال و یا Spoofing) و توضیح در مورد میزان دقت حفظ شده توسط سیستم PNT و توان اختلالی که گیرنده باید توان مقاومت در برابر آن را داشته باشد ، دارای اهمیت است.

همراهی تنگاتنگ GNSS و سیستم ناوبری اینرشیال، مانند آنچه که در فناوری SPAN NovAtel می بینیم، مقاومت سامانه در برابر اختلال و Spoofing را نیز افزایش می دهد. سامانه هایی نظیر آنتن ضد اختلال GAJT NovAtel (شکل ۲) حفاظت در برابر اختلال را پدید آورده و به میزان استحکام سیستم PNT می افزایند. محافظت در برابر تاثیرات Spoofing به بهترین نحو از طریق بکارگیری SAASM (برای کاربران دارای مجوز) فراهم شده است، اگرچه GNSS چند فرکانسه/دارای چندین پیکربندی و آنتن های ضد اختلال نیز می توانند در این مورد یاری رسان باشند.

نکته کلیدی این است که سنجنده های نامتجانس، فرکانس ها و پیکربندی های چندگانه و حفاظت ضد اختلال می توانند در کنار یکدیگر برای کسب اطمینان از توان PNT بکار گرفته شوند. انتخاب صحیح فناوری نیازمند آگاهی از احتیاجات بخوبی تعریف شده است.