GPS Jamming i Spoofing w lotnictwie cywilnym. PART 1 – Czym są i dlaczego dopiero teraz tak często się o nich mówi?

W czasie ostatnich paru miesięcy temat zakłóceń sygnałów GPS odbieranych przez samoloty przewija się często w mediach i to nie tylko branżowych.  Okazało się, że w efekcie GPS Spoofingu systemy statków powietrznych potrafią zaskoczyć pilotów, operatorów, nadzory lotnicze i … producentów samolotów. Sprawa jest  dość złożona i na dzień dzisiejszy jest tutaj dużo pytań bez odpowiedzi.

GPS w lotnictwie

Lotnictwo zaczęło korzystać z systemu GPS niemal od początku jego uruchomienia. GPS (Global Positioning System) to system nawigacji satelitarnej obsługiwany przez USA, a ICAO w załączniku 10 do Konwencji Chicagowskiej definiuje szersze pojęcie tj. GNSS oraz określa w stosunku do niego stosowne standardy i rekomendacje:

„Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS). Światowy system określania miejsca i czasu, zawierający jedną lub wiele konstelacji satelitarnych, odbiorniki pokładowe i urządzenia monitorujące integralność systemu, w razie potrzeby wspomagany , aby wspierać wymagania nawigacyjne dla zamierzonych operacji”

Istnieje wiele odpowiedników systemu GPS o różnym stopniu zaawansowania i  wykorzystania przez  producentów awioniki np. europejski Galileo, rosyjski  GLONASS, chiński Baidu, itd. Potocznie jednak, tak jak odkurzacze nazywano przez lata Elektroluxami, system GNSS nazywa się GPS i w dalszej części wpisu świadomie będę stosował takie uproszczenie.

Systemy lotniczych odbiorników GNSS są zgodnie z w.w. definicją są „wspomagane” m.in. z ziemi lub innych systemów satelitarnych (np. z naziemnego elementu systemu GBAS lub satelit geostacjonarnych np. WAAS/EGNOS) w celu poprawy wymaganych parametrów takich jak: dostępność, wiarygodność, dokładność itd. Różne systemy wspomagania pozwalają  na zastosowanie GNSS do coraz bardziej wymagających zastosowań. Obecnie system GLS (GBAS Landing System GPSowy odpowiednik ILS) stosuje się do podejść do lądowania Kategorii I (wysokość decyzji do 60 metrów), wkrótce spodziewane jest wprowadzenie również kategorii II (wysokość decyzji do 30 metrów) --> LINK

Można powiedzieć, że lotnictwo „zakochało się” w GPS i  widziało w nim tylko świetlaną przyszłość. Likwidowano kosztowne w utrzymaniu naziemne pomoce nawigacyjne (np. trasowe radiolatarnie VOR). Nowe zastosowania tego  systemu utożsamianie były nie tylko z oszczędnościami, ale również zwiększeniem przepustowości przestrzeni lotniczych i lotnisk oraz  zmniejszeniem wpływu oddziaływania statków powietrznych  na środowisko (hałas,  redukcje CO2). Powszechnie zakładano, że żaden system nie zna lepiej miejsca i czasu i zaufano mu chyba trochę za bardzo.

GPS Jamming

Zjawisko zagłuszania sygnałów GPS  znane było nieomal od początku pojawienia się tego systemu. Sygnały te  są „słabe” (mała moc) przez co stosunkowo łatwo jest je zagłuszyć. Nawet zwiększenie ich mocy w nowych generacjach satelitów nie do końca rozwiązuje ten problem.

Lotnictwo było przygotowane na GPS Jamming z banalnej przyczyny, bo nie można było zgodnie z normami zakładać  100 % dostępności  sygnałów GPS.

Jeżeli system zarządzanie lotem  (FMS) nie odbiera sygnału GPS to przechodzi w inny tryb wyznaczania pozycji  w zależności od wyposażenia i przyjętych algorytmów  np.:

- DME-DME (radioodległościomierze)

- VOR-DME (radiolatarnia)

- starszy INS (system bezwładnościowy) /nowszy IRS (bezwładnościowy system odniesienia)

- klasyczna nawigacja zliczeniowa (s=t*v).

Metody te pozwalały utrzymać się w wymaganych parametrach tras lotniczych bez sygnału GPS, a nawet w przypadku „update” DME-DME wykonać procedury przylotu/odlotu (bez końcowego podejścia do lądowania).

Systemy nawigacyjne szacują swoją dokładność poprzez zdefiniowany w ICAO Performance-based Navigation Manual-u parametr NSE (Navigation System Error), zwany w nomenklaturze Boeinga ANP (ACTUAL NAVIGATION PERFORMANCE),  Airbusa EPE (ESTIMATED POSITION ERROR, Embraera i Garmina EPU (ESTIMATE OF POSITION UNCERTAINTY).

Systemy FMS wykorzystujące w.w. sensory sprawdziły się zanim pojawił się GPS i obecnie wykorzystuje się te możliwości jako swoisty "backup" na wypadek braku lub zagłuszenia jego sygnałów. Jeżeli z kolei  uległyby one awarii, to możliwe są jeszcze dalsze  scenariusze np. w obszarach gdzie jest pokrycie radarowe pilota w nawigacji może wspomóc kontroler (o ile ktoś nie zakłóci możliwości korespondencji radiowej) lub pilot prowadzi sam nawigację zliczeniową jakiej uczył się na początku swojej kariery lotniczej, opierając się jeżeli jest to możliwe, o to co widzi za oknem i mapę.

Jammery są powszechnie dostępne, na allegro  jest ich wręcz całe mnóstwo, a w produkcji jamerów lotniczych (duży zasięg) wyspecjalizowali się Rosjanie, prezentując je na wielu targach międzynarodowych.  Smaczku sprawie sprawa zakupów tych urządzeń od firmy Aviaconversiya zarządzanej nomen omen przez  Olega Antonova  (zbieżność nazwisk przypadkowa) przez amerykański departament obrony w 2002 roku. Być może miała to być rekompensata za rezygnację z kontraktu z innym krajem lub cena za poznanie możliwości urządzenia LINK .

Wypasiony model z zasięgiem do 200 km z ziemi to był wydatek około 50 tys $, być może dzisiaj jeszcze taniej.

Jammery mogą zakłócać wszystkie systemy GNSS i na różnych pasmach, włączając to rosyjski GLONASS.

GPS Spoofing

Atak Spoofing polega na oszukiwaniu odbiorników GPS fałszywym sygnałem, tak aby przypominał on „zwykły” sygnał GPS lub retransmitowanie wcześniej zarejestrowanego sygnału GPS w innym miejscu i czasie.   W efekcie odbiorca ma uzyskać  niepoprawną pozycję 3D lub czas. Sygnały GPS są jak pisałem wcześniej małej mocy, przez co  łatwe do "nadpisania" oraz otwarte w wersji cywilnej. Istnieje wiele form ataku GPS Spoofing, a jedną z nich jest atak "carry-off".  Zaczyna się on  od nadania sygnału GPS zsynchronizowanego z oryginalnym sygnałem obserwowanym przez cel ataku. Siła sygnału fałszowanego jest stopniowo zwiększana i zmieniana w stosunku do oryginalnego sygnału. Podejrzewa się, że  w ten sposób przechwycono dron Lockheed RQ-170  w Iranie w 2011 roku. W 2013 roku zespół naukowców Uniwersytetu w Teksasie udowodnił możliwość „cichego uprowadzenia” jachtu wartego 80 milionów dolarów --> LINK. Już wtedy mówiło się o zagrożeniach dla sektora transportu jakie niesie za sobą GPS spoofing. Minęło ponad 10 lat od tych wydarzeń  i sektor lotniczy wydaje się być takimi atakami co  nieco zaskoczony. Najwięcej o spoofingu mówiło się w środowisku dronowym i tam powstał obrazek ilustrujący działanie takiego systemu:

Za mniej niż 1 000 złotych można kupić spoofer ,  który potrafi zaprowadzić kierowcę samochodu nie pod inny niż zamierzony adres lub wyprowadzić go na drogę jednokierunkową "pod prąd", ale nie spotkałem się jeszcze z ofertami do "zastosowań lotniczych" (większa moc) --> LINK.

Rozwiązania o większej mocy potrafią poważnie zakłócić nawigację statków powietrznych na dużym obszarze.

Ostatnio na OPS GROUP pojawiła się cała seria artykułów o sporej ilości  samolotów, które nie tylko zostały wprowadzone w błąd dotyczący swojej pozycji, ale co gorsza utraciły swoje zdolności nawigacyjne, zegary w samolotach potrafiły pokazywać czas przesunięty o kilka godzin --->  LINK.

Sytuacja w której zacytuję dosłownie za OPS  Group "In the Baghdad FIR, the crew of a (Boeing) 777 enroute were essentially forced to ask “What time is it, and where are we? “" wydaje się wprost niebywałą.  Backup-y systemu FMS, o których pisałem wyżej w wielu przypadkach zawiodły. Do tej pory wielu lotników wróżyło wyłączenie systemu GPS przez USA, a okazało się, że jest jeszcze gorszy wariant. Sygnały GPS potrafi "zepsuć" w miarę niezawodny do tej pory system INS/IRS. Sprawa stała się poważna,   FAA wydało memo do operatorów --> LINK ,  a  EASA specjalny biuletyn bezpieczeństwa -->   LINK. Producenci samolotów nie przygotowali dla pilotów specjalnych procedur na wypadek spoofingu oraz nie opisali szczegółowo konsekwencji jaki może on przynieść dla poszczególnych systemów samolotu, bo nikt ich do tego nie zobowiązywał. Nadzory lotnicze o spoofingu wiedziały od dawna, ale spały dopóki nie obudzili ich dziennikarze.

Pisały o tym zarówno światowe mainstreamowe media np. LINK  jak i krajowe LINK.

Zakłócenia występują głównie w okolicach działań wojennych lub miejscach szczególnie strzeżonych (np. bazy wyrzutni rakiet). Z zakłóceniami tymi wojsko jest jednak niejako obyte: może ono jednak korzystać z sygnałów specjalnie przeznaczonych do zastosowań militarnych , a systemy wspomagania stosowanych tam odbiorników są często bardziej wyrafinowane, niż te używane obecnie w lotnictwie cywilnym. Dla nich zakłócanie odbiorników (szczególnie od kiedy drony weszły na scenę teatru działań wojennych) to normalka, a być może trzeba będzie sięgnąć w przyszłości do stosowanych tam rozwiązań.

Strefy zakłóceń są teraz tak duże (od Rumunii  do Egiptu, a dalej Azerbejdżan po Iran), że transport lotniczy z Europy  do Azji uwzględniający  restrykcje nad Rosją nie jest w stanie ich ominąć, chyba że byłyby to loty przez biegun północny (blisko przylegający do tejże Federacji Rosyjskiej). 
 

Lotnictwo cywilne dostaje te problemy niejako "w promocji", bo po prostu lata za blisko miejsc konfliktów, gdzie zakłócenia stały się wręcz standardem. Myślę, że czarnym snem sił obrony jest przepuszczenie taniego drona z prostym GPSem przenoszącego bombę niespodziankę, bo jego zestrzelenie może być droższe niż zmylenie, a "denerwowanie" samolotów pasażerskich w rejonach gdzie zapewniona jest służba radarowa jest raczej efektem wtórnym. Trudno na dzisiaj mówić o zamierzonych atakach na samoloty pasażerskie.  Co stałoby się jednak, jeśli ktoś świadomie dokonałby ataku GPS Spoofing na przykład w godzinach szczytu ruchowego nad  pozbawioną kontroli radarowej przestrzenią nad Atlantykiem Północnym (NAT), gdzie obecnie duża liczba samolotów wykonuje loty pomiędzy Europą a Ameryką ze zmniejszoną separacją (specyfikacja RNP-4, która wymaga GPS) i wszystkim tym statkom powietrznym raptem  na gustownych telewizorach wyświetliłaby się pozycja różniąca się od rzeczywistej o kilka stopni, a zegary pokładowe pokazywałyby czas przesunięty o kilka godzin (!) ? Nie wiem😓.

Państwo stosujące spoofing na dużą skalę musi niekiedy dokonywać trudnego wyboru pomiędzy narażeniem jego  obywateli znajdujących się w samolotach pasażerskich i tych znajdujących się na ziemi i tutaj mamy przykład z Izraela ---> LINK. Jeżeli połączy się możliwości GPS Spoofingu i Sztucznej Inteligencji (AI) to skutki takiego mariażu  mogą być wręcz trudne do wyobrażenia.

Brakuje też uregulowań prawnych w zakresie zakłócania sygnałów GPS, być może dlatego, że z jednej strony wiążą  się one z utrudnianiem życia innym (nawet z narażaniem na niebezpieczeństwo), mamy do czynienia z "kradzieżą" sygnału, to z drugiej strony jednak są fundamentalne  prawa do prywatności i obrony.

Jak do tego doszło, że GPS Spoofing potrafi oszukać wyrafinowane przecież systemy samolotów pasażerskich oraz kwestii wielu pytań bez odpowiedzi rozwinę w  kolejnym wpisie. Nie obejdzie się bez technikaliów. Sprawa dotyczy nie tylko mylnych wskazań pozycji i czasu lub  degradacji możliwości nawigacyjnych samolotów, ale oddziaływuje również na ich inne systemy mogąc stanowić realne zagrożenie dla bezpieczeństwa wykonywanych operacji lotniczych.

Janusz Boczoń - pilot i instruktor. Autor bloga www.avialaw.blogspot.com

Czytaj również:
Sprawa dość poważna i coraz częściej powtarzająca się: Załogi tracą integralność danych GNSS. Wygląda to na inteligentny Spoofing