Беспилотники: киберзащищённость аппаратно-программных средств и каналов обмена информацией

Публикации на сайте AviaSafety в отношении проблем и задач, связанных с интеграцией беспилотников в пилотируемое воздушное пространство, в очередной раз подтверждают высокую актуальность темы уязвимости спутниковой системы навигации (ГНСС) и необходимости поиска и реализации альтернативных мер.

Это особенно актуально на пороге новой эры в развитии авиации – внедрения беспилотных авиационных систем. В отличие от пилотируемых ВС, экипаж которых в крайнем случае сможет определить свое местоположение по «названию вокзалов» и «пачке Беломора», точная и достоверная навигация для БВС является краеугольным камнем обеспечения их безопасной эксплуатации.

Двуединая задача: 1) точно и достоверно определить местоположение БВС; 2) передать точно и достоверно информацию о местоположении БВС внешнему экипажу, а также органам ОВД и/или другим пользователям. Отсюда глобальная для современной авиации задача – киберзащищенность как аппаратно-программных средств, так и всех каналов обмена информацией.

Высокая технологичность, доступность и глобальность применения ГНСС обманчиво привели к тому, что уровень доверия к этой системе сегодня оказался очень высок. Разработчики информационных и иных систем во всем мире фактически без опасений используют ГНСС в качестве единственного поставщика данных о местоположении различного рода объектов и данных точного времени.

Однако безальтернативное использование ГНСС в качестве средства навигации, особенно в авиации, является ошибочным.

Сегодня понятно, что ГНСС уязвимы не только перед не зависящими от человека факторами (солнечная активность, мерцание радиосигнала, атмосферные явления, сбои в часах и положении спутников, ошибки из-за многократного отражения сигнала), но и перед преднамеренным воздействием на работу ГНСС со стороны «злоумышленников».

В связи с активным использованием БВС все большую актуальность среди «злоумышленников» приобретает не столько задача постановки помех спутниковому сигналу (Jamming – «джамминг», глушение), сколько искусственная подмена сигнала с целью нарушения точности навигации (Spoofing — «спуфинг», подмена).

Особенностями, предопределяющими уязвимость ГНСС, называют:

1. Открытый стандарт сигналов ГНСС; ввиду открытости доступа к сигналам ГНСС относительно легко может быть сформирован и направлен получателю ложный сигнал несколько большей мощности, который будет воспринят в качестве истинного.
2. Низкий уровень принимаемого сигнала со спутников, находящихся на орбитах порядка 20000 км (фактически на уровне шума), что позволяет легко организовать его подмену с использованием относительно маломощных устройств.
3. Отсутствие процедуры аутентификации передатчиков спутников, по этой причине невозможно удостовериться в том, что сигнал действительно принадлежит спутникам системы.

Многие ведущие страны, «наигравшись» с кажущейся доступностью и простотой использования ГНСС, но пережив «шок» от последствий стороннего влияния на работу средств ГНСС, сегодня активно работают над созданием альтернативных PNT-систем (позиционирования, навигации и тайминга), а также над поиском способов защиты ГНСС от искусственных помех и ложных сигналов. В частности, предлагаются способы переключения между спутниковыми группировками и различными частотами открытых и защищенных сигналов ГНСС, использование помехозащищенных (помехоразличающих) приемных антенн.

В качестве альтернативных ГНСС средств на глобальном уровне уже используется система Iridium STL (Satellite Time and Location), предложенная американской компанией Satelles для «защиты» GPS. В STL используется допплеровский эффект, что усложняет создание помех и спуфинг, а также позволяет использовать криптографическую защиту информации. 66 спутников Iridium, расположенных на низких околоземных орбитах, транслируют независимый от GPS мощный сигнал (на несколько порядков сильнее). Iridium STL способна обеспечить как независимую навигацию, так и может дополнять GPS. Точность позиционирования STL ниже ГНСС (15−20 м для неподвижного объекта, для движущегося еще хуже), но это компенсируется тем, что STL может работать в сложных условиях, где ГНСС недоступны (например, в помещениях). Эта технология доступна сегодня и поддерживается Iridium NEXT, следующим поколением глобальной спутниковой группировки Иридиум.

В век информационных войн любую предлагаемую к использованию информационную систему необходимо рассматривать через призму ее возможного использования в качестве системы двойного назначения. В этой связи очевиден призыв к бдительности и к необходимости использовать собственные отечественные системы навигации и связи.

Так, не однократно отмечалось, что группировка спутников Иридиум II поколения (IridiumNext), помимо сугубо «мирных» и благородных задач, является средством несанкционированного глобального наблюдения за всеми объектами, излучающими сигнал на частоте 1090 МГц (межспутниковые каналы обмена информацией, центральный сервер в США). Космическая группировка IridiumNext с каналом приема 1090 МГц реализует функцию «спутникового МПСН» (широко не «рекламируемого»), что позволяет глобально определить не только факт излучения любого сигнала 1090 МГц и «прочитать» его содержимое (идентификатор, параметры полета), но и с довольно высокой точностью определить местоположение излучающего объекта (включая литерные рейсы первых лиц государства).

В недавнее время стандарт 1090 активно продвигался в качестве «единого» стандарта наблюдения на территории Российской Федерации.

Один из известных альтернативных ГНСС способов – реализация локальных систем навигации. Здесь можно привести пример автономной системы Locata, в основе которой лежат наземные синхронизированные приемопередатчики, которые выступают в роли «псевдоспутников» и формируют единую сеть, дополняющую или замещающую GPS.

Здесь необходимо привести очень важную особенность ЛПД VDL-4, старательно не допускаемую к внедрению в Российской Федерации, несмотря на ее очевидные достоинства: на основе технологии VDL-4 может быть реализована (и реализуется на практике) локальная система навигации.
Из «Руководства по цифровой ЛПД частотного диапазона VHL (VDL MODE 4)» (Doc 9816) ИКАО:

«5.3.2.2 Возможность вторичной навигации

В случае, если входящие в транспондер ЛПД VDL Mode 4 навигационные данные (и, следовательно, данные времени) окажутся несостоятельны, то при выполнении операций ЛПД VDL Mode 4 может передать полномочия средствам навигации, имеющим более низкие характеристики, применяющим измерение дальности <ranging> до наземных станций VDL Mode 4 или до ближайших пользователей, использующих свои принятые данные о местоположении и времени. Такое местоположение является менее точным, чем то, что получено от системы GNSS, но оно все ещё будет иметь достаточную точность, чтобы поддерживать операции в воздушных коридорах и чтобы действовать в качестве резервного режима. Такая концепция проиллюстрирована на Рисунке 1-5-5 и Рисунке 1-5-6. Стандарты на ЛПД VDL Mode 4 не требуют способности выполнять вторичную навигацию, но они вобрали в себя возможность для ее реализации».

Важной особенностью названного стандарта является то, что локальную навигацию можно обеспечить как по информации нескольких наземных источников сигнала VDL-4, так и по нескольким воздушным объектам на основе получаемой информации об их местоположении и разниц времен приема информации от каждого их воздушных объектов.

Возвращаясь к альтернативным ГНСС системам навигации, приведенная в публикации система eLoran — это «новое – хорошо забытое старое».

По сути речь о воскрешении и модернизации системы Loran, которая относится к радиотехническим системам дальней навигации (РСДН). Принцип работы систем основан на измерении разницы времени прихода сигнала от нескольких наземных передатчиков. Такие системы еще называют гиперболическими радионавигационными системами. Аналогичные системы были созданы и некоторые по сей день функционируют в Российской Федерации и от которых военные не спешат отказываться. Мало того, вкладываются в их развитие и модернизацию, понимая важные технические особенности, в том числе и в части защиты от помех.

Особенности РСДН (Loran):

1)      Использование длинноволнового диапазона (частота Loran – 100 кГц), что обеспечивает распространение сигнала далеко за горизонт на тысячи километров, проникновение под воду (для навигации под водой), в здания; однако для передачи и приема сигнала в ДВ диапазоне требуются большие антенны;

2)      Использование мощных передатчиков (около 400 кВт), что делает задачу подавления и подделки сигналов непростой; для достижения большой выходной мощности на антенне злоумышленнику также потребуется очень большая антенна; однако, для обеспечения большой выходной мощности передатчика РСДН требуется наличие соответствующей энергетики (электропитание) и инфраструктуры;

3)      В отличие от ГНСС, которая имеет глобальное покрытие (практически на всю площадь земного шара), РСДН (Loran) – это региональные системы, способные охватить сравнительно небольшие площади, например нескольких стран;

4)      Точность определения координат хуже чем ГНСС (от 200 м до 2 км);

5)      Позиционирование РСДН — двухмерное (только координаты), ГНСС — трехмерное (координаты и высота);

6)      Относительно низкая стоимость развертывания: на стоимость выведения на орбиту одного спутника системы GPS можно закупить сотню передающих станций LORAN и обслуживать их в течении 20 лет.

«eLoran» — это «улучшенная навигация дальнего действия» (Enhanced Long Range Navigation), проект модернизации ранее используемой РСДН «LORAN-C», одно время практически «забытой» и свернутой из эксплуатации.

Пользователям системы LORAN-C было рекомендовано для навигации использовать систему GPS. С 1 августа 2010 года была прекращена работа американских станций LORAN-C в составе российско-американской цепи, а с 3 августа 2010 года и в составе американо-канадской цепи. Таким образом в настоящее время работа системы LORAN-C на территории США полностью завершена.

В отличие от ранее используемой, модернизированная система eLoran имеет улучшенные технические характеристики и функционал:

1)      Повышенная точность определения координат; как и в случае с системой ГНСС, это обеспечивается в дополнение к основным станциям РСДН наличием наземных корректирующих дифференциальных станций, которые являются приемными и по выделенным каналам связи передают в систему отклонение измеренных координат от реальных; это корректировать сигналы основных станций для повышения точности навигации; для «моряков» eLoran способна обеспечить точность позиционирования в пределах 10 м в портах и в пределах 30 м в море; однако, во-первых, это потребует развертывания и обслуживания большого количества цепочек передающих и контрольно-корректирующих станций с подводом электроэнергии, во-вторых, точность наблюдений может изменяться в значительных пределах (20−560 м) даже в дифференциальном режиме, что может не удовлетворять требованиям инструментальной навигации;

2)      Возможность передачи данных — однонаправленной отправки небольших сообщений.

3)      Криптографическая защита данных для снижения вероятности подмены навигационных сигналов «злоумышленником».

Следует учитывать, что технология eLoran разработана и полностью контролируется компаниями, расположенными в юрисдикциях, зависимых от НАТО.

Использование РСДН, в том числе eLoran на воздушных судах, особенно на БВС, может быть ограничено необходимостью наличия приемной антенны значительных размеров. Как правило, ранее бортовые системы РСДН устанавливались на ВС отечественного производства, выполняющих длительные перелеты над безориентирной местностью, включая ВС военно-транспортной и дальней авиации.

Согласен и всемерно поддерживаю необходимость комплексного использования систем навигации, смысл которой отмечен в публикации: «Подумайте о триаде отказоустойчивости, состоящей из GNSS (глобальной), eLoran (континентальной) и инерциальной измерительной единицы, точных часов или оптоволоконного соединения». «В сообществе PNT существует довольно хорошее согласие в том, что не существует единственного решения [для уязвимостей GPS]». «Это должна быть система систем».

Первое правило хорошего штурмана — использовать все доступные инструменты для определения местоположения.

Создание систем навигации для беспилотных воздушных судов – актуальнейшая тема, требующая проведения соответствующих исследований и разработок, в том числе касающихся использования средств навигации, построенных на новых физических принципах.

Уже проводятся исследования, касающиеся следующего поколения защищенных спутниковых сервисов, добавляющие дополнительные возможности защиты системам определения времени и местоположения. Так называемый «квантовый компас» использует субатомные частицы для определения относительного положения. Ищутся способы астронавигации, сочетающие современные технологии со старыми методами, используемыми в прошлом.

Актуальным для БВС представляется использование принципов гравитационной навигации по особенностям гравитационного поля Земли.

В связи с этим, нельзя не отметить, что в недавно утвержденной Правительством РФ «Концепции интеграции БВС в единое воздушное пространство РФ» в части обеспечения навигации заявлено:

«Основой навигационного поля для обеспечения полетов беспилотных воздушных судов в Российской Федерации будет являться глобальная навигационная спутниковая система, включающая спутниковые созвездия ГЛОНАСС и GPS, а в перспективе также Galileo и BeiDou с функциональным дополнением спутникового базирования (в частности, российской системой дифференциальной коррекции и мониторинга), сертифицированным в соответствии с требованиями стандартов и рекомендуемой практики Международной организации гражданской авиации, а в районах аэродромов и вертодромов возможно будут использоваться локальные контрольно-корректирующие станции, являющиеся функциональным дополнением наземного базирования. В случае нарушения целостности поля глобальной навигационной спутниковой системы навигация будет обеспечиваться наземными радиотехническими средствами и альтернативными бортовыми навигационными устройствами».

Представляется, что с учетом высокой актуальности вопроса и подтвержденных фактов уязвимости ГНСС такое положение Концепции является как минимум не достаточно проработанным, либо просто ошибочным.

Пунктом 1 Плана реализации Концепции интеграции предусмотрено мероприятие I этапа (до 2023 года): «Проведение научных и экспериментальных исследований возможности применения технологий и сетей связи для низколетящих беспилотных воздушных судов: высокоточная навигация в случае нарушения целостности поля глобальной навигационной спутниковой системы», срок исполнения – 2022 год, ответственный – Минтранс России совместно с Минпромторгом России, Росавиацией и заинтересованными ФОИВ. Отраслевые научные и исследовательские организации в числе ответственных исполнителей не обозначены, что удручает.

Пунктом 7 Плана реализации Концепции интеграции предусмотрено мероприятие «Разработка научно обоснованных и экспериментально проверенных требований к обеспечению навигации при полетах беспилотных воздушных судов».

Несмотря на очевидные риски использования ГНСС, в том числе изложенные в публикации, пунктом 19 Плана реализации Концепции интеграции предусмотрено мероприятие: «Развитие спутниковых технологий и средств спутниковой навигации для обеспечения полетов беспилотных воздушных судов на основе глобальной навигационной спутниковой системы и системы дифференциальной коррекции и мониторинга», срок – 2025 год, ответственные Минтранс России,  Минпромторг России, Росавиация, Госкорпорация «Роскосмос», заинтересованные ФОИВ.

Остается надеяться, что реализация актуальных для сферы БАС мероприятий в части навигации будет проводиться на должном уровне с широким привлечением научных и других заинтересованных организаций и пользователей.

Чернышев Юрий Петрович,
Зам. генерального директора,
директор по сертификации
Ассоциации AERONEXT

Мнение автора может не совпадать с позицией МКАА «Безопасность полетов».

Материалы публикуются в том виде, в котором получены от автора – без какой-либо редакторской правки.

Предыдущие публикации по данной теме:

Россия — родина слонов, часть 1, часть 2, часть 3, часть 4

Кибербезопасность авиационных информационно-связных систем

О Концепции интеграции беспилотных воздушных судов в единое воздушное пространство Российской Федерации и плане её реализации

Интеграция БАС в общее воздушное пространство в России находится под угрозой срыва

Об удивительных попытках обоснования киберзащищенности АЗН-В/1090 (научно-техническое харакири)

Система управления безопасностью полетов в условиях новых технологических вызовов и киберугроз

Многопозиционные системы наблюдения (МПСН) на базе использования линий передач данных (ЛПД) расширенного сквиттера (1090 ES) и УКВ ЛПД режима 4 (VDL-4)

Беспилотники: 1090 или VDL-4?