GNSS Spoofing & Jamming

GNSS Resilience • Timing • PNT

לוויינים שינו את העולם במובנים רבים, לא רק מבחינת העברת תקשורת ותצפית על כדור הארץ בדרכים שלא היו נתפסות בעבר, אלא גם כדי לאפשר ניווט מדויק להפליא.
מערכת ניווט לווינית גלובלית (GNSS), משתמשת בנתונים המסופקים על ידי לוויינים כדי לאתר מיקום על פני השטח בדיוק של סנטימטרים ספורים.

בניווט מטוסים, נפוץ מאוד להתקין מערכת הרחבה קרקעית (GBAS) באמצעות מקלטים קבועים. מקלטי GNSS אלה משדרים לאחר מכן פרמטרי תיקון דרך מערכת התקשורת VHF של שדה התעופה למטוס, ועוזרים להם לנווט כשהם מתקרבים או עוזבים את שדה התעופה.

בנוסף ללווייני ה-GNSS עצמם, לכל קבוצת GNSS יש גם תחנת בקרה קרקעית משלה, שממנה מידע מעודכן על תנאי האטמוספירה מועלה באופן קבוע ללוויינים, יחד עם התאמות זמן כדי לפצות על סחף השעון של הלוויין. זה מדגים שקבוצת GNSS היא מערכת דינמית ביותר הדורשת עדכונים מתמידים על מנת לתפקד כראוי.

במערכות חקלאיות נעשה שימוש ב-GNSS לצורך הכוונת כלים אוטונומיים ועבודה מדויקת בשטח, בעוד שבתעופה ובספנות הוא משמש לניווט, מעקב ותכנון מסלולים. גם רשתות חשמל ומערכות תקשורת נעזרות ב-GNSS לצורך סנכרון מדויק בין אתרים שונים.

במערכות פיננסיות, מרכזי נתונים ותשתיות קריטיות, רכיב הזמן חשוב לא פחות מהמיקום עצמו. חתימות זמן מדויקות מאפשרות לתעד אירועים בסדר הנכון, להשוות בין מערכות שונות ולשמור על פעולה מתואמת ברשתות גדולות ומבוזרות.

עם זאת, יש צד נוסף ל-GNSS שמתרחב לשימוש הצבאי בהכוונת טילי שיוט ודומיהם למטרה שלהם.
יחד עם צורות אחרות של לוחמה אלקטרונית (EW), זה בא לידי ביטוי בצורת שיבוש וזיוף אותות GNSS, שיכולים להסתיר פעילויות בלתי חוקיות ממערכות ניטור ולשבש או להשבית את מערכות האויב במהלך מלחמה. שיבוש אותות GNSS מהווה נשק רב עוצמה שיכול להפוך את טכנולוגיית האוויוניקה והרחפנים המודרנית ביותר לחסרת תועלת.

שיבושי GPS הפכו להיות בשנים האחרונות דבר שבשגרה.

לאדם הממוצע שיבושים אלה במקסימום יכולים לעכב הגעה למקום מסוים עקב אי קליטת לווינים או להראות מיקום נוכחי שגוי.
עבור חברות מסוימות שיבושים אלה יכולים לעכב פעילות ולהשבית מערכות
נזק שמגיע כל שנה למיליוני שקלים בישראל.

בשנת 2011 איראן השתמשה בזיוף GPS כדי להערים על כטב"ם של לוקהיד מרטין מדגם RQ-170 לנחות באחד משדות התעופה שלה, שם הוא נלכד לאחר מכן.
דבר זה אפשר לאיראן לבצע הנדסה לאחור ולפתח את דגמי הכטב"ם שלה מסוג 'שאהד'.
השאהד-171 הוא העתק מדוייק של RQ-170.

בעבר, במהלך תרגילים של רוסיה ונאט"ו, דיווחו נורבגיה ופינלנד על הפסקות GPS חמורות.
הדבר השפיע על הציבור בכך שהגביל את יכולת הניווט של מטוסים מסחריים, וגם שיבש את השימוש ברשתות הסלולר.
על פי דיווחים עדכניים, רוסיה מזייפת באופן פעיל נתוני GPS במהלך המלחמה באוקראינה, דבר שמשפיע בעיקר על משתמשים פרטיים ומסחריים.

Jamming לעומת Spoofing

ראשית נגדיר את שני התחומים שדומים מאוד אך שונים באופן מהותי בהגדרתם

זיוף (Spoofing) –

שידור אותות מזויפים שנועדו לגרום למקלט GNSS לחשוב שהוא מקבל מידע אמיתי מהלווינים. כתוצאה מכך המקלט עלול לחשב מיקום או זמן שגויים.

לדוגמא: אדם נמצא בישראל ואפליקציית הניווט שלו מראה שהוא בלבנון.

חסימה (Jamming) –

שידור הפרעות RF שמקשות או מונעות מהמקלט לקלוט ולעבד את אותות ה-GNSS האמיתיים.
אין קליטת לווינים בכלל.

לדוגמא: אפליקציית הניווט לא מצליחה לקבל שידורי מיקום בזמן אמת מהלווין.

ממה שיבושי GPS נובעים?

מה עושים במצב של שיבוש GPS?

מה הפתרונות הקיימים להגנה מפני זיוף וחסימה של GPS?

במאמר זה נרצה לסקור את אחד התחומים המרתקים בעולם הסנכרון שמתקשר באופן הדוק להגנת סייבר.

לוויני GNSS נמצאים במרחק של 20,000–23,000 ק"מ מעל פני כדור הארץ
לוויני GPS האמריקאים הם אולי המוכרים ביותר אבל למעשה גם רוסיה, סין ואירופה מחזיקות בסדרה מכובדת של לוויני PNT. סדרת לווינים אלו נקראת GNSS.

🇺🇸 GPS

תדרים: L1: 1575.42 MHz | L2: 1227.60 MHz | L5: 1176.45 MHz

🇪🇺 Galileo

תדרים: E1: 1575.42 MHz | E5a: 1176.45 MHz | E5b: 1207.14 MHz | E6: 1278.75 MHz

🇷🇺 Glonass

תדרים: G1/L1: ~1602 MHz | G2/L2: ~1246 MHz | G3/L3: 1202.025 MHz

🇨🇳 BeiDou

תדרים: B1I: 1561.098 MHz | B2a: 1176.45 MHz | B2b: 1207.14 MHz | B3I:1268.52 MHz

בגלל המרחק העצום שעוברים אותות ה-GNSS, עוצמתם כאשר הם מגיעים לאנטנה על פני כדור הארץ נמוכה מאוד. עובדה זו הופכת מקלטי GNSS לרגישים להפרעות RF. ב-Jamming משדרים הפרעה שמקשה על המקלט להבחין באותות האמיתיים, ואילו ב-Spoofing המטרה היא לגרום למקלט לקבל אות מזויף כאילו הגיע מהלווינים.

ציוד SDR (Software Defined Radio) הפך בשנים האחרונות לנגיש וזול משמעותית. ציוד כזה משמש באופן לגיטימי למחקר, פיתוח ובדיקות מעבדה, אך ממחיש גם עד כמה חשוב להגן על מערכות GNSS מפני אותות RF שאינם אמינים.

עבור מוצרים בסגנון הזה, קיימת תמיכה מלאה ברשת וקוד שניתן להוריד בקלות מ-github, כך שלא נדרש אפילו להיות מתכנת בשביל לבצע מעשיי שטות ולגרום נזק.

שרתי זמן מתקדמים משתמשים במקלטי GNSS המסוגלים לעקוב במקביל אחר מספר רב של לוויינים, תדרים וקונסטלציות שונות, כגון GPS, Galileo, GLONASS ו-BeiDou.
בהשוואה למקלט פשוט המסתמך על מערכת או תדר בודד, זיוף עקבי של מספר מקורות GNSS במקביל הוא משימה מורכבת יותר מאוד עד בלתי אפשרית. לכן ציוד RF פשוט מהסוג שהוצג בדוגמה עשוי להוות מקור להפרעה, אך אין להסיק מכך שהוא מסוגל בקלות לזייף באופן עקבי את כלל האותות שמקלט GNSS מתקדם מנטר.

בפועל, השיבוש מתבצע באמצעות מערכות מתוחכמות יותר

R-330Zh Zhitel – מערכת לוחמה אלקטרונית ניידת מתוצרת רוסיה, המסוגלת לשבש אותות רדיו וקליטת מערכות ניווט לווייניות, ובהן GPS.

ישראל היא אחד המקומות המשובשים ביותר:

מדינות שכנות מנסות להגן על עצמן באמצעות שיבושי תדרים ולאו דווקא בכוונה לישראל, בפועל בגלל המרחק הקרוב שיבושים אלו מגיעים אלינו ויוצרים הפרעות מקומיות באזורים שונים בארץ.

הגנה מפני זיוף ושיבוש אותות GNSS הפכה לצורך מהותי במערכות קריטיות.
כחלק מההתמודדות עם האיום, IEEE מקדם את פרויקט התקינה P1952, העוסק בחוסן של ציוד המשמש למיקום, ניווט ותזמון (PNT) בפני הפרעות ואיומים.
חשוב לציין כי האות P ב־P1952 מציינת Project – כלומר, נכון להיום מדובר בפרויקט תקינה הנמצא בתהליך פיתוח, ולא בתקן IEEE סופי.

רמות הגנה:

Detect and alert – זיהוי והתראה

לכל הפרעה שעלולה למנוע מהציוד לשמור על ביצועים סבירים
– הזיהוי מתבצע לאורך השוואת ציר הזמן במטרה לתפוס קפיצה חריגה בזמן מה שיצור לנו "רמפה" על ציר הזמן.
ב-NTP למשל הגדרות כמו min.pool ו-max.pool נועדו לחסום קפיצה חריגה.
למשל אם ציר הזמן ברזולוציה של המערכת הוא במילי-שניות, קפיצה פתאומית של 2 שניות היא קפצה חריגה.

Recover – התאוששות

היכולת של מערכת לחזור לספק זמן ומיקום מדויקים ואמינים לאחר שהפרעה או תקיפה הסתיימה
המערכת מזהה את ההפרעה ועוברת למקור זמן חלופי. שההפרעה נפסקת, ה־Recovery הוא התהליך שבו המערכת מוודא כי אות הלווין שוב אמין וחוזרת להשתמש בו בצורה בטוחה, ללא איפוס המערכות.

Resist – התנגדות

שמירה על ביצועים סבירים במשך תקופה מסוימת.
היכולת של מערכת להמשיך לספק זמן מדויק ברמה הנדרשת גם בזמן שיבוש או אובדן של מקור הזמן הראשי, למשל באמצעות Holdover, מבלי לנתק את המערכות המסונכרנות.

Withstand – עמידות

שמירה על ביצועים מקובלים ללא הגבלת זמן.
המערכת בנויה כך שתוכל להמשיך לעמוד בדרישות הביצועים שלה לאורך ההפרעה, באמצעות יתירות, מקורות זמן חלופיים וארכיטקטורה עמידה יותר כגון שעון פנימי (OCXO/ Rubidium) עם "סחיפת זמן" נמוכה וביצועי Holdover גבוהים.

Verify – אימות

היכולת של המערכת לוודא באופן עצמאי שמקור הזמן והסנכרון שהיא מספקת אכן נכונים ואמינים.
המערכת מקבלת זמן מ-GPS, ובמקביל משווה אותו למקור זמן בלתי תלוי. אם שני המקורות תואמים במסגרת הדיוק המוגדרת, ניתן לקבל רמת ביטחון גבוהה יותר שהזמן שמופץ למערכות המסונכרנות אמין.
לדוגמא: במצב של הפרעה בלוויני ה-GPS המערכת תעבור להסתנכרן לפי לוויני GLONASS.
במידה וקיים שיבוש תדרים רוחבי מקורות אלו יכולים להיות שעוני צזיום, תחנות הנמצאות בקרקע, לוויני Inmarsat המשמשים לתקשורת ימית ועוד.

מאפיין מכריע של רמות החוסן הוא בכדי שציוד ישיג רמת הגנה מסוימת, עליו להשיג גם את כל רמות ההגנה שלפניו.
לדוגמה, כדי להשיג WL4 – הציוד חייב להיות מסוגל לבצע עמידות ללא הגבלת זמן, לשמור על ביצועים סבירים, לזהות הפרעות , להתריע ולהתאושש ברגע שהפרעות אלה אינן קיימות עוד.

לסיכום:

מערכות GNSS הפכו במהלך השנים לחלק בלתי נפרד ממערכות ניווט, תקשורת וסנכרון זמן.
אך התלות באותות המגיעים מלוויינים הנמצאים עשרות אלפי קילומטרים מכדור הארץ יוצרת גם נקודת תורפה.
Jamming ו-Spoofing ממחישים מדוע במערכות קריטיות לא ניתן להסתמך באופן עיוור על מקור זמן יחיד.
מערכת סנכרון זמן עמידה צריכה לדעת לזהות חריגה, להתריע עליה, להמשיך לספק זמן באמצעות Holdover או מקור חלופי, להתאושש בצורה בטוחה לאחר סיום ההפרעה ולבסוף – לאמת שהזמן שהיא מפיצה למערכות אכן אמין.
ככל שהמערכת קריטית יותר, כך גדלה החשיבות של יתירות, מקורות זמן בלתי תלויים ויכולת לפעול גם כאשר GNSS אינו זמין.

המטרה אינה רק לדעת מה הזמן – אלא לדעת שהזמן שאנחנו מפיצים לכל המערכות הוא הזמן הנכון.