RF spoofing a GNSS jamming

Prečo RF spoofing a GNSS jamming patria medzi kritické riziká pre UAV

Bezpilotné lietadlá (UAV) sú čoraz viac závislé od globálnych navigačných satelitných systémov (GNSS) a rádiovej komunikácie pre navigáciu, časovanie, geofencing, Return-to-Home (RTH) a synchronizáciu senzorov. Úmyselné RF rušenie (jamming) a falošné signály (spoofing) dokážu narušiť alebo manipulovať tieto funkcie a tým ohroziť bezpečnosť letu, misiu aj verejnú bezpečnosť. Nasledujúci odborný článok ponúka systematický rámec detekcie, odolnosti a reakčných plánov, ktorý je použiteľný pre vývojárov autopilotov, integrátorov, bezpečnostných manažérov aj operátorov flotíl.

Terminológia a modely hrozieb

• GNSS jamming: zvýšenie šumu v pásme GNSS, ktoré znižuje C/N₀ pod detekčný prah prijímača.
• GNSS spoofing: generovanie zdanlivo legitímnych navigačných signálov s cieľom zaviesť prijímač do omylu o čase/polohe/rýchlosti.
• Meaconing: opakovaný prenos legitímne prijatých GNSS signálov (časovo a priestorovo posunutých).
• RF interferencia: nechcené emisie alebo intermodulácia, ktorá degraduje RF reťazec bez úmyselného útoku.

GNSS ako kyber-fyzikálny závislý subsystém

GNSS poskytuje PVT (Position, Velocity, Time) a presnú časovú základňu pre fúziu senzorov. V moderných UAV je bežné multi-konštelačné a multi-frekvenčné prijímanie (napr. L1/E1 + L2/E5), doplnené inertnými senzormi (IMU), barometrom, vizuálnou odometriou (VIO), prípadne LiDAR SLAM. Dizajn odolnosti preto musí riešiť nielen samotný prijímač, ale aj architektúru fúzie a reakčné režimy autopilota.

Indikátory a signatúry rušenia (jamming) na úrovni prijímača

• Pád C/N₀ naprieč kanálmi a konšteláciami, zvýšená AGC (Automatic Gain Control) a nárast meranej šírky pásma šumu.
• Nestabilita pseudočasov a rast rezíduí v RAIM/ARAIM testoch konzistencie.
• Výrazné skoky DOP (PDOP/HDOP/VDOP) a zníženie počtu „locked“ satelitov.
• Spektrálne anomálie vo vnútornom spektrálnom monitore prijímača (ak je dostupný).

Indikátory a signatúry spoofingu

• Doppler a rýchlostné nezrovnalosti: derivácie frekvencií nie sú kompatibilné s predikciou oblohy a dynamikou UAV.
• Multi-receiver divergencia: rozdiel v PVT medzi dvoma fyzicky blízkymi prijímačmi rastie nad prah.
• Časová anomália: drift časovej základne (1PPS) bez korešpondujúcej zmeny polohy.
• Inkonzistencia s inými senzormi: VIO/INS/odometria vykazujú nízke inovačné rezíduá, zatiaľ čo GNSS signalizuje posun.
• Abnormálne „clean“ C/N₀ profily so synchronizovaným prírastkom viacerých satelitov (scenár zameny celej „oblohy“).

Detekčné metódy: od jednoduchých prahov po fúzne validátory

• Statistické prahy: sledovanie C/N₀, AGC, počtu satelitov a DOP s adaptívnymi prahmi podľa ODD (Operational Design Domain).
• RAIM/ARAIM: vylučovanie nekonzistentných meraní; detekcia „faulty satellite“ režimov.
• INS/GNSS tight-coupling: kontrola inovácií v Kalmanovom filtri (NIS/NES testy) a ich štatistická konzistencia.
• VIO/LiDAR cross-check: geometrická validácia proti vizuálnej alebo lidarovej trajektórii (odporúčané pre nízke výšky a mestské prostredie).
• Time/frequency sanity checks: stabilita 1PPS a oscilátora, porovnanie s lokálnym referenčným časom.
• Priestorové diverzitné senzory: dva GNSS moduly v rozstupe → detekcia gradientov a falošných planárnych vĺn.

Architektúry odolnosti: vrstvená obrana

• Multi-konštelačné a multi-frekvenčné prijímanie: zvyšuje entropiu signálov a znižuje pravdepodobnosť plnej kompromitácie.
• Over-validácia mapou a senzorickou redundanciou: INS, baro, magnetometer, VIO/LiDAR SLAM.
• Autentizačné mechanizmy: využívanie autentizačných funkcií navigačných správ, kde sú dostupné (konceptuálne), s konzervatívnou politikou dôvery.
• Adaptívne režimy navigácie: prechod do GNSS-denied módu s prísnejšími limitmi rýchlosti, náklonu a rádiusom geofence.
• RF front-end odolnosť: filtrácia mimo pásma, selektívne antény, prípadne techniky smerovej recepcie v rámci zákonných možností.

Reakčné plány (playbook) pri detekcii incidentu

1. Stupeň 1 – Anomália: zvýšenie váhy INS/VIO, zníženie dôvery GNSS, obmedzenie rýchlosti a náklonu; informovanie operátora.
2. Stupeň 2 – Potvrdené rušenie: prechod do GNSS-degraded profilu; aktivácia hold alebo track-to-fix podľa scenára; vyhodnotenie bezpečnej alternatívy RTH bez GNSS (trajektória po smere vetra, vizuálne body).
3. Stupeň 3 – Spoofing: okamžité zneplatnenie GNSS pre riadenie, prechod na INS/VIO/LiDAR; ak je v dosahu, pristátie v vopred definovaných safe landing zones; zákaz „výpočtu domova“ z podozrivých dát.
4. Stupeň 4 – Degradovaná kontrola: eskalácia fail-safe – bezpečné pristátie alebo autodescend na otvorenej ploche; zachovanie energie pre kritické manévre.

Bezpečnostné limity a governance

• Hard safety limits: maximálny uhol náklonu, minimálna výška nad terénom, maximálne povolené driftovanie.
• Geofencing: konzervatívny „keep-out“ pri kritickej infraštruktúre; geozóny musia byť platné aj bez GNSS (relatívny/mapový režim).
• Audit a telemetria: neoddeliteľné logovanie anomálií, inovácií filtra a prepínačov režimov.

Metodika testovania a metriky výkonnosti

Odporúča sa kombinácia simulácie, HIL a kontrolovaných laboratórnych podmienok (tienené RF prostredie) s dôrazom na bezpečnosť a súlad s právom. Kľúčové metriky:

• MTTD (čas do detekcie), FAR/MDR (false alarm/missed detection rate).
• Δpos₉₅ a Δvel₉₅ počas incidentu; AoL – plocha úbytku funkčnosti.
• Recovery time – čas do stabilizácie v alternatívnom navigačnom režime.
• Mission Success Probability v Monte Carlo kampaniach s variabilným vetrom, SNR a scenármi pohybu.

Tabuľka akceptačných prahov (príklad)

Fúzia senzorov a stratégie bez GNSS

• INS-dominantný mód: krátkodobé dead-reckoning s adaptívnou kompenzáciou driftu na základe aerodynamických modelov a obmedzení rýchlostí.
• VIO/LiDAR SLAM: mapovo ukotvená pozícia v mestskom a vnútornom prostredí; vyžaduje kvalitnú vizuálnu textúru.
• Barometrické a magnetické ukotvenie: stabilizácia výšky a orientácie ako minimálny bezpečnostný rámec.
• Mapové RTH: RTH podľa poslednej „dôveryhodnej“ mapovej kotvy, nie podľa potenciálne sfalšovanej GNSS pozície.

Komunikačné aspekty a telemetrická kontinuita

• Oddelené pásma pre C2 (command & control) a video; diverzitné prijímače a smerové antény v zákonnom rámci.
• QoS a priorita pre C2 kanál; autonómne zníženie bitratu videa pri zhoršení RF.
• Detekcia RF preťaženia na palube s prechodom na konzervatívne manévre a varovaním operátora.

Operatívne postupy a školenia

• Predletová kontrola RF: mapa rušenia, vyhodnotenie rizika podľa ODD, plán „abort points“ a vyhradené pristávacie plochy.
• Simulované incidenty: tréning reakcií posádky na indikácie jammingu/spoofingu v simulátore a HIL prostredí.
• Checklisten: štandardizované kroky pri alarmoch detekcie, eskalácii a po-incidentnej analýze.

Forenzná analýza a reporting po incidente

• Zachovanie logov: GNSS raw, IMU, VIO, RF metriky (C/N₀, AGC), prepínače režimov, udalosti geofence.
• Korelačná analýza: časové zosúladenie 1PPS, inertných dát a autopilotných stavov.
• Incident taxonomy: klasifikácia na rušenie, meaconing, sofistikovaný spoofing alebo RF interferenciu.
• Lekcie a aktualizácie: úprava prahov, zmena ODD, aktualizácia SOP a tréningov.

Právne a etické rámce

Akékoľvek experimenty s rušením či simuláciou spoofingu musia prebiehať výhradne v kontrolovanom a legálne povolenom prostredí (tienené priestory, laboratóriá, simulačné a HIL platformy). Nasadenie obranných opatrení musí rešpektovať lokálne rádiové regulácie a letecké predpisy. Neoprávnené vysielanie rušiacich alebo falošných signálov je vo väčšine jurisdikcií protiprávne.

Prípadová štúdia A: mestské kaňony a náhle zlyhanie GNSS

Súvislosť: Inspekčný let v centre mesta. Jav: prudký pokles C/N₀, nárast DOP, divergencia VIO/GNSS. Reakcia: prechod do VIO-dominantného režimu, obmedzenie rýchlosti, návrat podľa mapovej kotvy na open-area LZ. Výsledok: bezpečné pristátie, identifikovaná lokálna interferencia z okolitých zdrojov.

Prípadová štúdia B: kontrolovaný spoofing v testlabe

Súvislosť: Validácia detektora spoofingu v HIL. Jav: postupná zmena pseudorange. Reakcia: včasná detekcia cez INS inovačné testy a Doppler konzistenciu; okamžité zneplatnenie GNSS pre riadenie. Výsledok: Δpos₉₅ v limite, rýchly návrat do stabilného režimu.

Checklist odolnosti a prevádzky

1. Aktivované multi-konštelačné, multi-frekvenčné prijímanie a prahovanie C/N₀/AGC.
2. Tight-coupled INS/VIO s NIS/NES monitormi a alarmami.
3. Definované režimy GNSS-degraded a GNSS-denied s limitmi správania.
4. Mapové RTH a bezpečné pristávacie zóny.
5. Telemetrický a dátový audit trail, pravidelné tréningy posádky.

Najčastejšie chyby a ako sa im vyhnúť

• Spoliehanie sa na GNSS ako jediný zdroj PVT bez kvalitnej fúzie.
• Nastavené statické prahy bez ohľadu na ODD a sezónne variácie RF prostredia.
• Absencia mapovej kotvy pre RTH a chýbajúce safe landing zóny.
• Nelogovanie kľúčových metrik (AGC, inovácií, prepnutia režimov) – nemožnosť forenziky.

Od detekcie k dôveryhodnej autonómii

Odolnosť voči RF spoofingu a GNSS jammingu nevzniká jedným produktom, ale vrstveným dizajnom: kvalitná detekcia na prijímači, robustná fúzia senzorov, konzervatívne reakčné režimy a disciplinované operatívne postupy. Takto koncipovaný systém dokáže incidenty nielen prežiť, ale aj bezpečne ukončiť misiu s minimálnym dopadom na bezpečnosť a prevádzkovú spoľahlivosť.