Globale Navigationssatellitensysteme (Englisch: Global Navigation Satellite System oder GNSS) bestehen aus einer Satellitenkonstellation, die im Weltraum stationiert ist. Ihr Ziel ist es, genaue Informationen über Position und Zeit an Empfänger auf der Erde zu liefern. Dies ermöglicht die Bereitstellung von Daten zur Positionierung, Navigation und Zeitsynchronisation (Englisch: PNT für Positioning, Navigation, Timing).
Solche Daten ermöglichen es Straßenverkehrsanwendungen, ein Fahrzeug genau zu lokalisieren. Außerdem erlauben sie einem Zeitserver, die Uhren eines lokalen Netzwerks präzise zu synchronisieren.
Es gibt mehrere bekannte GNSS: das amerikanische GPS, das europäische Galileo, das russische GLONASS, das chinesische Beidou (BDS), das indische IRNSS und das japanische QZSS. Ihre Anwendungen reichen von der täglichen Navigation auf Smartphones über komplexe geodätische Messungen bis hin zu militärischen Operationen.
Die wesentliche Bedeutung der zeitlichen Präzision von GNSS
GNSS-Satelliten sind mit Atomuhren ausgestattet, die für die Übertragung von Zeitinformationen mit hoher Genauigkeit unerlässlich sind, und werden von Bodenstationen überwacht. Eine präzise Synchronisation zwischen den Uhren der Satelliten und denen der Empfänger ist dabei unerlässlich. Denn schon die kleinste Abweichung führt zu erheblichen Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Position des Signalempfängers.
Da sich die Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn befinden, ist das von ihnen ausgesandte Signal bei seiner Ankunft auf der Erde sehr schwach, was zu erhöhten Interferenzen führen kann. Darüber hinaus ist das GNSS ein „natürliches“ Ziel für Cyberangriffe, z. B. in militärischen Szenarien. Diese GNSS-Schwachstellen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: unbeabsichtigt und beabsichtigt.
Die Schwachstellen des GNSS
- Die unbeabsichtigten Schwachstellen
Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um natürliche oder zufällige Störungen. Natürliche Störungen können durch Phänomene wie Sonneneruptionen verursacht werden, während unbeabsichtigte Störungen häufig durch defekte Geräte entstehen.
- Beabsichtigte Schwachstellen
Beim Jamming wird ein sehr starkes Funksignal auf denselben Frequenzen gesendet, die auch vom GNSS genutzt werden, um den Empfang der Signale zu stören. Das Spoofing ist ausgefeilter: Es werden falsche Signale erzeugt, um den Empfänger über seine tatsächliche Position oder Zeit zu täuschen. Alle GNSS werden sowohl für zivile als auch für militärische Zwecke eingesetzt. Es kann in einem Militärkontext daher von strategischer Bedeutung sein, das System anzugreifen, um seine Nutzung zu verhindern oder um einen Feind zu stören. In diesem Zusammenhang ist die Karte mit GPS-Störungen, die auf GPSjam.org zu sehen ist, aufschlussreich für die weltweite geopolitische Situation.
Auf einer anderen Ebene wirken sich die absichtliche Störung oder Unterbrechung von GNSS-Signalen (z. B. GPS) auf die Zeitsynchronisation von Uhren in lokalen Netzwerken aus. Und zwar unabhängig vom verwendeten Protokoll (NTP, PTP usw.), da es die ursprünglichen Daten sind, die ungenau sind. Aus diesem Grund sind alle indirekten Anwendungen betroffen, die Zeitstempel benötigen.
Wie lassen sich solche GNSS-Schwachstellen beheben?
Angesichts dieser Schwachstellen werden mehrere Ansätze in Betracht gezogen, um GNSS widerstandsfähig zu machen und den Nutzern eine Kontinuität der PNT-Dienste zu bieten, wie z. B.:
- Nutzung mehrerer Satellitensysteme gleichzeitig.
Durch die gleichzeitige Nutzung der Systeme GPS und Galileo kann beispielsweise die eigene Zeitmessung und Ortung stabiler gemacht werden.
- Aufrechterhaltung einer genauen Synchronisation mithilfe von „Holdover“.
Mithilfe des sogenannten „Holdovers“ kann ein lokaler Zeitserver eine genaue Synchronisation aufrechterhalten. Denn er erzeugt ein Synchronisationssignal, das auf einer eigenen Zeitbasis und dem letzten gültigen Signal basiert, das vor dem Verlust der Synchronisation mit GNSS empfangen wurde. Die Qualität des Zeitserver-Oszillators ist ebenfalls entscheidend, um den kritischsten Anforderungen gerecht zu werden.
- Einrichtung einer Anlage mit mehreren Standorten und Quellen.
Satelliten übertragen im Allgemeinen ein Signal, das an einer bestimmten Stelle gestört sein kann. Durch die Installation von Zeitservern in einiger Entfernung, die jedoch über eine private Drahtverbindung miteinander verbunden sind, kann sichergestellt werden, dass durch Jamming verursachte Abweichungen erkannt und korrigiert werden können.
Es können auch mehrere Quellen eingesetzt werden: ein GNSS, eine über Funk zugängliche Quelle oder etwa eine lokale Hochleistungsuhr.
- Authentifizierung von GNSS-Signalen.
Dabei geht es beispielsweise darum, das Galileo-System zu stabilisieren, um es widerstandsfähiger gegen Störungen zu machen. Das Signalauthentifizierungssystem, bekannt als OS-NMA, ermöglicht GNSS-Empfängern zu überprüfen, ob das empfangene Signal tatsächlich vom Satelliten stammt.
Es gibt noch weitere Ansätze, die jedoch alle auf den oben genannten Prinzipien beruhen.
Als Experte der Zeiterfassung und einer Präsenz in mehr als 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz. Unsere Netsilon-Zeitserver bieten die Möglichkeit, ein Zeitsignal präzise, kontinuierlich und sicher mit allen Systemen und Geräten in einem Netzwerk zu synchronisieren.
Zusätzlich kann eine sichere Multi-Konstellationsantenne die Signale verschiedener Satelliten empfangen und so eine bessere Verfügbarkeit des Zeitsignals gewährleisten. Eine sichere Antenne ist gegen vorsätzliche Schwachstellen wie Jamming und Spoofing geschützt und trägt zur Aufrechterhaltung einer intakten Zeitinformation bei.