Auteurs: Ken Klaver & Dick Martens
In de afgelopen maanden zijn er steeds meer mediaberichten over verstoringen van GPS-satellietnavigatie. Sinds de Russische inval in Oekraïne en de escalatie van het conflict in Gaza is het aantal meldingen, vooral vanuit de luchtvaart- en defensiesector, aanzienlijk toegenomen. Deze verstoringen, die grote gevolgen hebben voor navigatie en veiligheid, vragen om inzicht in de toepassingen van GPS-jamming en -spoofing, de gevolgen van verstoringen en mogelijke maatregelen.
(Bronnen: The Guardian, NOS, NOS)
GNSS staat voor Global Navigation Satellite System, en omvat een reeks systemen die worden toegepast voor wereldwijde positiebepaling, navigatie- en timingdiensten. GPS (Global Positioning System) uit de VS is het meest bekende systeem, maar ook Galileo (EU), BeiDou (China) en GLONASS (Rusland) behoren tot de GNSS-familie. GNSS-systemen gebruiken tientallen satellieten in een geostationaire baan op ongeveer 20.000 km hoogte, wat zorgt voor wereldwijde dekking.
Behalve voor navigatie is GNSS ook zeer belangrijk voor telecommunicatie en energievoorziening, waar het zorgt voor nauwkeurige tijdinformatie.GNSS gebruikt internationaal gedefinieerde frequentiebanden voor radioplaatsbepaling en radionavigatie (zie onderstaand overzicht van de ITU (International Telecommunication Union)).
Bron afbeelding: ITU
Door de zeer grote afstand van de geostationaire baan is het ontvangstsignaal op aarde erg zwak, zelfs lager dan de achtergrondruis. Omdat het GPS signaal een direct spread-spectrum signaal is kan de signaal processing het GPS signaal lager dan de achtergrondruis toch detecteren.
Omdat het GPS-signaal zo zwak is, is er maar heel weinig zendvermogen nodig om de ontvangst te verstoren – dit staat bekend als jamming. Bij jamming wordt een breedbandig stoorsignaal in de buurt van de GNSS-ontvanger uitgezonden. Hierdoor kan de ontvanger (bijvoorbeeld in een navigatiesysteem van een vliegtuig, schip of (vracht)auto) het benodigde satellietsignaal niet meer vinden en zijn er geen navigatiegegevens beschikbaar. Deze verstoring is relatief eenvoudig te herkennen: je kunt geen positie bepalen.
Bron afbeelding: The Signal Jammer.
Bovenstaand sigaretten-aansteker-model is in 2017 in beslag genomen. Het apparaatje zat in de kofferbak van een auto bij de Franse luchthaven Nantes Atlantique. De bestuurder installeerde deze om te voorkomen dat zijn werkgever zijn locatie kon bepalen. Het signaal van deze jammer was zo sterk dat vliegtuigen hun normale startprocedure niet konden uitvoeren, wat tot ernstige vertragingen leidde.
Bij spoofing wordt opzettelijk een foutief GNSS-signaal uitgezonden. Het gevolg daarvan is dat het navigatiesysteem een foutieve locatie aangeeft. Als deze foutieve locatie overduidelijk is (bijvoorbeeld navigeren in Nederland terwijl de GPS navigatie als locatie Duitsland aangeeft), is dit eenvoudig te herkennen. Moeilijker is het als de fout slechts enkele honderden meters of kilometers betreft. Spoofing is een stuk moeilijker te realiseren dan jamming en wordt voornamelijk voor militaire doeleinden ingezet. Met spoofing kunnen bijvoorbeeld GPS-geleide raketten naar een verkeerde locatie worden gestuurd of troepen worden misleid door ze een andere positie door te geven.
Diverse publieke websites monitoren waar de GNSS-verstoringen voorkomen, en waar de luchtvaartsector dus rekening moet houden met onnauwkeurige navigatie. Op onderstaande kaart is te zien dat de meeste verstoringen in Europa momenteel plaatsvinden rond de Baltische staten, de Oostzee, Oekraïne en het Midden-Oosten, gerelateerd aan de geopolitieke situatie.
Bron afbeelding: GPSJAM.
Er zijn ook organisaties en individuen die proberen de individuele bronnen van verstoringen te identificeren, zie bijvoorbeeld:
Naast menselijke verstoringen zijn er ook natuurlijke oorzaken voor onnauwkeurigheid of tijdelijk uitvallen van GNSS-signalen. De belangrijkste hiervan is de activiteit van de zon. Tijdens periodes van hoge zonneactiviteit worden grote hoeveelheden geladen deeltjes uitgestoten, wat ionisatie in de bovenste lagen van de atmosfeer veroorzaakt. Hierdoor kunnen satellietsignalen tot wel drie dagen achtereen uitvallen.
Een recent rapport van de Britse regering schat dat de economische impact van een grootschalige GNSS-aanval of -storing in Groot-Brittannië ongeveer 7,5 miljard GBP zou bedragen bij een zevendaagse storing, of ongeveer 1,4 miljard GBP bij een 24-uursstoring. Deze schattingen gaan uit van een worst-case scenario. In werkelijkheid zal de omvang van verstoringen waarschijnlijk beperkter zijn, zowel qua omvang als qua duur. Maar uit het onderzoek blijkt dat zelfs kleinere verstoringen aanzienlijke economische en maatschappelijke gevolgen kunnen hebben. Een soortgelijk rapport van de Amerikaanse overheid schat de kosten van een vergelijkbare verstoring in de VS op ruim 1 miljard dollar per dag, waarbij de helft van de impact te maken heeft met verstoring van (mobiele) telecom.
GNSS speelt een belangrijke rol in mobiele netwerken door nauwkeurige timing en synchronisatie te bieden. Deze precisie is nodig voor de correcte werking van moderne netwerken zoals 4G en 5G.
Mobiele 5G netwerken maken gebruik van de Time Division Duplex techniek. Hierbij zendt een basisstation enige tijd op één frequentie (het oranje blokje in de onderstaande afbeelding) en daarna zendt het mobieltje op dezelfde frequentie (het blauwe blokje). Als de timing tussen basisstations niet correct is zal de communicatie tussen basisstation en mobieltje verstoord worden. Als het onderlinge timingsverschil te groot wordt kan de communicatie zelfs geheel onmogelijk worden.
Bron afbeelding: Rohde & Schwarz
Recente Nederlandse regelgeving rondom perceelgebonden netten (PGN) vereist dat private (5G) netwerken gesynchroniseerd moeten worden met de netwerken van mobiele operators. Dit houdt in dat het zelfde up- en downlink-tijdschema en zend/ontvang ratio dienen te worden gehanteerd om wederzijdse verstoring te voorkomen. Nauwkeurige timing van de zend- en ontvangblokken is hierbij een voorwaarde.
Ook andere functionaliteiten binnen 4G en 5G, zoals carrier aggregation, vereisen nauwkeurige timing. Bij carrier aggregation worden meerdere frequenties tegelijk gebruikt om de datasnelheid van het mobiel verkeer te verhogen. De tijdsloten binnen de gebruikte (gestapelde) zend- en ontvangstfrequenties moeten nauwkeurig gesynchroniseerd worden om verstoringen te voorkomen en de prestaties te behouden. Diensten als geolocatie en Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS, 5G Broadcast) vereisen eveneens nauwkeurige synchronisatie.
Door de evolutie van radiosystemen met geavanceerde technologieën als TDD en 5G, is de toegestane tijdafwijking (TAE, Time Alignment Error) in mobiele netwerken in de loop der jaren kleiner geworden. Voor 5G-netwerken, zoals voor de 3,5GHz band, bedraagt de toegestane TAE maximaal 1,5 microseconden, en voor sommige 5G diensten zelfs minder dan 130 nanoseconden!
Open RAN introduceert extra complexiteit in timing en synchronisatie door de desaggregatie van radionetwerkfuncties over fronthaul- en midhaul-verbindingen, naast de typische backhaul. In Open RAN is synchronisatie zelfs zo belangrijk dat er een afzonderlijke laag (plane) voor is ingericht: er is een datalaag, een besturingslaag (control plane) en een synchronisatielaag of S-plane.
Synchronisatie in mobiele netwerken wordt al lange tijd via PTP (Precision Time Protocol, IEEE 1588) uitgevoerd. De netwerken hebben daarbij meestal een redundante masterklok, die via GNSS wordt gevoed. Het tijdsignaal wordt via dit specifieke protocol binnen het mobiele netwerk aan alle zenders/ontvangers doorgegeven. Deze masterklok kan een GNSS-verstoring tot 48 uur zonder problemen overleven. Als alternatief kan een GNSS-ontvanger bij elke zendmast worden geplaatst, hoewel dit het risico op timingproblemen bij verstoringen van het GNSS-signaal vergroot.
Wat het gebruik van PTP lastig maakt is dat operators van mobiele netwerken hun transportnetwerk (naar de zenders in de basisstations) vaak leasen en daarom geen controle hebben over het end-to-end netwerk, met b.v. variaties in routering en jitter gedrag. Terwijl statische vertragingen in glasvezelnetwerken eenvoudig kunnen worden gecompenseerd, zijn dynamische vertragingen lastiger.
De bron van GNSS-verstoringen is vaak lastig op te sporen en te elimineren. Om de gevolgen van dergelijke verstoringen te beperken kunnen wel een aantal maatregelen worden getroffen.
Voor situaties waarbij een GNSS-jammer met een laag zendvermogen wordt gebruikt kan het gebruik van een GNSS-ontvangantenne die een sterke voorkeur heeft voor signalen die recht van boven komen, en die voor signalen meer in het horizontale vlak zo weinig mogelijk signalen accepteert, effectief zijn. Er zijn antennes op de markt beschikbaar die deze eigenschap bezitten.
Daarnaast kunnen geavanceerde GNSS-ontvangers in combinatie met directionele antennes helpen bij het onderdrukken van verstorende signalen.
Spoofing speelt vooral een rol in militaire omgevingen en is lastig te voorkomen. Vliegtuigen en sommige tactische wapens hebben naast GNSS nog andere systemen aan boord voor navigatie en plaatsbepaling, zoals een (lucht)snelheidsmeters, hoogtemeters, kunstmatige horizon, (gyro)kompassen en radionavigatiesystemen op basis van bakens.
Er bestaan oplossingen waarbij de timingsignalen voor mobiele netwerken niet afhankelijk zijn van GNSS, maar afkomstig zijn van aardse tijdbronnen, zoals een atoomklok. Een atoomklok is een klok die als basis voor zijn tijdmeting gebruikmaakt van de trillingen van atomen. Atoomklokken staan veelal opgesteld bij wetenschappelijke instituten. In Nederland is dat onder andere bij VSL, onderdeel van TNO. VSL is aangewezen als het nationale metrologisch instituut, als opvolger van het IJkwezen. In Nederland maken mobiele operators al gebruik van netwerk gebaseerde synchronisatie gekoppeld aan atoomklokken, soms in combinatie met GNSS.
Zweden heeft proactief beleid ontwikkeld om GNSS-risico’s te beperken. Sinds 1997 werken operators, de overheid, infrastructuurorganisatie Netnod en de Zweedse telecomautoriteit PTS aan oplossingen. Om ervoor te zorgen dat de 5G-operators allemaal dezelfde tijdreferentie gebruiken, onafhankelijk van GNSS, heeft de Zweedse overheid Netnod in 2014 de opdracht gegeven om een nationaal tijddistributienetwerk te ontwikkelen, met verbindingen naar een zestal atoomklokken verspreid over het hele land. Deze klokken zijn herleidbaar tot de Zweedse nationale tijd UTC(SP) en staan onder supervisie van het Zweedse Nationale Metrologie Instituut. Mocht een verbinding met de tijdreferentie worden verbroken, en er dus geen correctie mogelijk is, is het verloop van een geïsoleerde atoomklok slechts 100 nanoseconden na drie maanden autonoom draaien.
De Zweedse wetgeving verplicht 5G-operators om een redundante tijdreferentie in Zweden te hebben, met een deadline van 1 januari 2025 voor implementatie indien GNSS als primaire bron wordt gebruikt.
Bron afbeelding: NetNod
Voor mobiele 5G-operators is het een uitdaging om de tijdsignalen van nationale tijdbronnen, geleverd door Netnod, efficiënt te distribueren naar hun 5G-radionetwerken. De gangbare netwerkgebaseerde synchronisatieoplossingen vereisen dure infrastructuurupgrades, inclusief ondersteuning voor PTP. Dit leidt tot hoge kosten en complexiteit bij de uitrol van 5G.
In Zweden is een alternatieve oplossing ontwikkeld: de Precision TimeNet-oplossing van Net Insight. Deze technologie biedt GNSS-onafhankelijke tijdsdistributie via bestaande infrastructuur, inclusief huurlijnen. Precision TimeNet scheidt de synchronisatiefunctie van de hardware. Hiermee wordt een synchronisatie-overlay over de bestaande IP-infrastructuur gecreëerd zonder dat PTP-hardwareondersteuning in tussenliggende nodes nodig is.
Bron afbeelding: TeckNexus
Deze aanpak stelt operators in staat om kosteneffectief tijdsignalen van centrale tijdreferentielocaties naar hun radionetwerken (RAN's) te transporteren. Dit resulteert in aanzienlijke kostenverlaging en een versnelling van de 5G-implementatie in zowel stedelijke als landelijke gebieden. Belangrijke delen van deze technologie worden momenteel gestandaardiseerd door de ITU.
GNSS-verstoringen kunnen grote impact hebben op de samenleving en op mobiele telecomnetwerken in het bijzonder. Het identificeren en verhelpen van de bronnen van GNSS-verstoringen is vaak complex. Het gebruik van speciale hardware kan helpen om de effecten van jamming te beperken.
Het Zweedse model, waarbij een landelijke tijddienst op basis van atoomklokken wordt gedistribueerd via een aparte laag in de mobiele netwerken, is een technisch hoogstandje dat afhankelijkheid van GNSS elimineert. Belangrijke onderdelen van deze oplossing worden nu door de ITU gestandaardiseerd.
Of een vergelijkbare kritische nationale voorziening er in Nederland ooit gaat komen is de vraag. Door de geografische ligging en de actuele geopolitieke situatie in Oekraïne lijkt Scandinavië kwetsbaarder voor de gangbare stoorbronnen en door het hogere risicoprofiel is de noodzaak voor een redundante oplossing daar hoger. Nederland heeft echter ook een strategische positie door bijvoorbeeld de haven van Rotterdam voor transport van NATO-materieel.
Onze conclusie is dat er altijd een goede afweging moet worden gemaakt van de risico’s en de voor- en nadelen van het gebruik van GNSS voor timing en andere toepassingen. Hierbij dienen ook de mogelijke alternatieven voor GNSS als tijdbron te worden meegenomen.