GPS hur fungerar det?

Det har varit en del skriverier om störningar i GPS systemet. Vi börjar med det enkla, GPS är egentligen fel namn. GNSS, eller Global Navigation Satellite System är det namnet som används för att beskriva dom olika satellitbaserade navigationssystemen som finns och gör det möjligt för användare att bestämma sin position på jordens yta. De mest kända GNSS-systemen är GPS (USA), GLONASS (Ryssland), Galileo (Europeiska Unionen) och BeiDou (Kina). Varje system består av en konstellation av satelliter i omloppsbana runt jorden samt de markbaserade stationer som stöder dem.

Satellitnätverk

Varje GNSS-system, som GPS, GLONASS, Galileo och BeiDou, har sin egen unika konstellation av satelliter. Dessa satelliter placeras i specifika omloppsbana för att säkerställa global täckning. GPS-satelliterna kretsar i en höjd av cirka 20 200 kilometer ovanför jorden. Dom andra nätverken på liknande höjder.

Antalet satelliter i de olika systemen kan variera på grund av nya satelliter och utrangering av äldre satelliter, och uppdateringar av systemen. Här är en ungefärlig översikt över antalet satelliter i de vanligaste GNSS-systemen fram till april 2023.

• GPS (USA): GPS-systemet har vanligtvis omkring 30-32 aktiva satelliter i drift. Systemet är designat för att fungera optimalt med minst 24 samtidigt fungerande satelliter, men har fler för redundans.
• GLONASS (Ryssland): GLONASS-systemet består vanligtvis av cirka 24 aktiva satelliter. Detta antal är vad som krävs för att ge full global täckning.
• Galileo (Europeiska Unionen): Galileo-systemet, som fortfarande är under utbyggnad, planerar för en full konstellation av 30 satelliter (inklusive inaktiva reservsatelliter). Fram till mitt 2023 var det ungefär 24 aktiva satelliter i systemet.
• BeiDou (Kina): BeiDou-systemet är ett av de större, med över 30 aktiva satelliter.

Signalöverföring och mottagning

Satelliterna använder högfrekventa radiosignaler för att sända sin data. Dom är utrustade med mycket exakta atomur och sänder kontinuerligt ut radiosignaler som innehåller viktig information om deras position och den exakta tiden då signalen skickades. Dessa signaler fångas upp av GNSS-mottagare, som kan vara inbyggda i din smartphone, bil, sjökortsplotter eller andra typer av navigationsutrustning.

Positionering genom triangulering

När mottagaren tar emot en signal från en satellit, beräknar den hur lång tid det tog för signalen att nå från satelliten till mottagaren. Eftersom ljusets hastighet är konstant och känd, kan mottagaren använda tidsfördröjningen för att beräkna avståndet till satelliten.

Beräkning av position

Genom en process som kallas för triangulering, använder mottagaren avståndsinformationen från minst fyra satelliter för att exakt bestämma sin position i tre dimensioner (längdgrad, breddgrad och höjd) samt den aktuella tiden. För de flesta kommersiella GNSS-mottagare, som de som finns i smartphones eller fordon, ligger uppdateringsfrekvensen vanligtvis runt 1 Hz, vilket innebär att positionen uppdateras en gång per sekund. Det finns snabbare system med upp till 100 Hz uppdatering. Men högre uppdateringsfrekvens betyder att processorn får jobba mer och enheten drar mer ström. Därför har man ganska få uppdateringar på många enheter vi vanligtvis möter.

GNSS-systemens säkerhet och precision

Trots att GNSS-systemen är extremt noggranna, finns det faktorer som kan påverka precisionen, såsom atmosfäriska störningar, signalblockering av byggnader eller träd, och sårbarhet för störningar såsom spoofing och jamming.

• Spoofing innebär att falska GNSS-signaler skapas för att vilseleda mottagare om deras faktiska position eller tid. Dessa signaler skickas sedan ut via radiosändare. Det är en komplex och avancerad teknik som krävs för att genomföra. Spoofing kan ha allvarliga konsekvenser, särskilt inom områden där exakt positionering är avgörande, som i sjöfart eller flyg.
• Jamming eller störsändning är när radiosignaler sänds ut för att störa eller blockera mottagningen av GNSS-signaler. Detta kan leda till att mottagare inte kan bestämma sin position eller tid korrekt, vilket kan vara problematiskt i många sammanhang, från navigering till tidssynkronisering. Störsändning kan dock bara ske i begränsad omfattning

Spoofing

Bland de olika GNSS-systemen, som GPS (USA), GLONASS (Ryssland), Galileo (Europeiska Unionen) och BeiDou (Kina), finns det skillnader i hur väl de är utrustade för att skydda sig mot spoofing. Vissa av de nyare systemen, som Galileo, har infört ytterligare funktioner som kan erbjuda förbättrat skydd mot spoofing.

Galileo-systemet erbjuder en tjänst kallad Public Regulated Service(PRS), som är avsedd för användning av myndigheter och militär och ger en krypterad signal som är svårare att spoofa. Denna tjänst är designad för att vara mer motståndskraftig mot jamming och spoofing.

GPS erbjuder också en krypterad signal för militärt bruk, vilket gör den mer motståndskraftig mot spoofing än de civila signalerna. Dock är denna signal inte tillgänglig för allmänheten.

GLONASS och BeiDou har liknande grundläggande skydd som GPS, men de saknar för närvarande en motsvarighet till Galileos PRS. Dessa system fortsätter dock att utvecklas, och ytterligare säkerhetsfunktioner kan införas i framtiden.

Trots dessa skydd är ingen av GNSS-systemen helt immuna mot spoofing. Tekniken bakom spoofing fortsätter att utvecklas, vilket skapar en pågående utmaning för alla GNSS-system att bibehålla och förbättra sin säkerhet.

Medan vissa GNSS-system, som Galileo, kan erbjuda något förbättrat skydd mot spoofing, är ingen av dem helt skyddade från denna typ av attack. Kontinuerlig forskning och utveckling inom GNSS-teknik och säkerhet är nödvändig för att hålla jämna steg med de förändrade hoten.

Jamming

Räckvidden för en GPS-störsändare, det vill säga hur långt den kan effektivt störa GPS-signaler, beror på flera faktorer, inklusive störsändarens effekt, design och de omgivande miljöförhållandena. Här är några nyckelfaktorer som påverkar räckvidden:

• Jammerns effekt: Kraftfullare störsändare har en större räckvidd. En liten, bärbar störsändare kan ha en räckvidd på bara några meter, medan en större och mer kraftfull störsändare kan ha en väldigt lång räckvidd.
• Miljö: Miljön där jamming äger rum spelar en stor roll. I en öppen yta utan mycket fysiska hinder, som byggnader eller träd, kan en störsändare ha en större räckvidd. I stadsområden eller terräng med många hinder kan störsändarens effektivitet och räckvidd minska avsevärt.
• Antenn och riktning: Typen av antenn och hur den är riktad påverkar också störsändarens effektivitet. En riktad antenn kan fokusera signalen på ett specifikt område och öka räckvidden i den riktningen.
• Atmosfäriska förhållanden: Vissa atmosfäriska förhållanden kan påverka radiosignalers spridning och därmed påverka räckvidden för en störsändare.

Hur kan man skydda sig mot attacker?

Att slå av eller på mottagningen av olika satellitnätverk i en GNSS-mottagare (som GPS, GLONASS, Galileo eller BeiDou) är inte en effektiv metod för att skydda sig mot spoofing. Spoofing-attacker är utformade för att imitera de legitima signalerna från dessa nätverk, och att inaktivera ett specifikt nätverk skulle inte nödvändigtvis förhindra en mottagare från att bli lurad av falska signaler. Istället för att fokusera på att inaktivera specifika nätverk, finns det andra strategier som kan vara mer effektiva för att skydda sig mot spoofing:

• Flera GNSS-System: Att använda en mottagare som stöder flera GNSS-system kan öka robustheten. Om en spoofing-attack är riktad mot ett specifikt system, kan mottagaren fortfarande få korrekt information från andra system.
• Spoofing-detektering: Vissa moderna GNSS-mottagare och navigationslösningar inkluderar avancerade funktioner för att upptäcka och varna för potentiell spoofing. Dessa system kan analysera signalens egenskaper för att identifiera misstänkt aktivitet.
• Krypterade signalalternativ: För professionella och militära användare finns krypterade signaler (som GPS P(Y)-koden eller Galileos PRS) som erbjuder ytterligare skydd mot spoofing.
• Regelbunden mjukvaruuppdatering: Att hålla din GNSS-mottagares mjukvara uppdaterad kan hjälpa till att skydda mot kända sårbarheter och potentiellt inkludera förbättrad skyddsmekanik mot spoofing.
• Ökad medvetenhet: Att vara medveten om miljön och potentiella tecken på spoofing (som plötsliga, omotiverade förändringar i position eller hastighet) kan hjälpa användare att identifiera när de kan vara föremål för en attack.
• Användning av kompletterande tekniker: I kritiska tillämpningar kan integration med andra positioneringstekniker (som INS - Inertial Navigation Systems) ge ytterligare säkerhet.

Sammanfattning

GNSS-tekniken är en hörnsten i modern navigation och tidssynkronisering, och används i allt från personlig navigering till avancerade militära och geografiska tillämpningar. Dess förmåga att tillhandahålla exakt positions- och tidsinformation har revolutionerat sättet vi navigerar och interagerar med världen. Det är viktigt att påpeka att användning av GPS-jammers och Spoofing är olaglig i många länder på grund av deras potential att störa kritiska system som flyg- och sjöfartsnavigering, nödtjänster och mycket mer. Även små, personliga spårsändadare kan ha en oavsiktlig och omfattande påverkan på dessa tjänster inom deras räckvidd. Att veta hur man navigerar med sjökort, kompass och logg har blivit viktigare igen. Det kan du lära dig i kursen förarintyg båt