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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
von unautorisiert erzeugten GPS Signalen.
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GPS
(Global Positioning System) ist ein weltweit verfügbares satellitengestütztes Navigationssystem
zur Bestimmung und Anzeige von Position und Geschwindigkeit innerhalb
eines mit einer Einrichtung zum Empfangen von GPS Signalen ausgerüsteten Fahrzeugs.
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Da
GPS Signale und Daten unsigniert und unverschlüsselt versendet werden, ist
es einem herkömmlichen
GPS Empfänger
nicht möglich
unautorisiert erzeugte GPS Signale zu erkennen. Dadurch kann die
von einer GPS Empfangseinrichtung ermittelte Position mit einem
unautorisiert GPS Signale aussendenden Gerät beliebig manipuliert werden. Diese
Manipulation wird als GPS Spoofing bezeichnet.
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Als
Gegenmaßnahme
wird versucht eine GPS Empfangseinrichtung mit zwei in einem ausreichenden
Abstand von einander entfernten Antennen auszurüsten, um durch Triangulation
der Signallaufzeiten die von einem GPS Spoofing Gerät ausgesendeten
Signale zu erkennen, da sich Satteliten an unterschiedlichen Positionen
befinden und ein GPS Spoofing Gerät alle Signale mit nur einer
Antenne sendet. Ändert
sich die Position der GPS Empfangseinrichtung, ändert sich die Laufzeit für alle von
einem GPS Spoofing Gerät
gesendeten Signale in gleichem Maße und mit gleichem Vorzeichen
und GPS Spoofing Signale werden erkannt. Diese Methode erfordert
jedoch weit reichende Kenntnisse und ein tiefgehendes Wissen über Details
der GPS Technik und einen Zugang zu Rohdaten der GPS Positionsberechnung.
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Es
ergibt sich die Aufgabe ein Verfahren zur Erkennung von GPS Signalmanipulationen
zu entwickeln, das auf einfache Weise mit geringem Aufwand eine
zuverlässige
Erkennung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen
der Unteransprüche.
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Es
wird ein Verfahren zur Erkennung von unautorisiert erzeugten GPS
Signalen vorgeschlagen, wobei ein Fahrzeug eine GPS Empfangseinrichtung, ein
Sensornavigationssystem und eine Vergleichseinheit umfasst, wobei
folgende Schritte ausgeführt werden:
Empfangen von GPS Signalen zur Bestimmung eines Streckenverlaufs
mit der GPS Empfangseinrichtung, Überwachen von Qualitätsparametern
der empfangenen GPS Signale und Übermittlung
der Qualitätsparameter
an die Vergleichseinheit mit der GPS Empfangseinrichtung, Berechnen
des Streckenverlaufs anhand der empfangenen GPS Signale mittels
der GPS Empfangseinrichtung, redundantes Ermitteln des Streckenverlaufs
unter Verwendung von Navigationssensoren mit dem Sensornavigationssystem
und Übermittlung
dieses Streckenverlaufs an die Vergleichseinheit, Überwachen
und Herausrechnen einer Nullpunktverschiebung als charakteristischer
Fehler der Navigationssensoren durch einen Vergleich des über die
GPS Empfangseinrichtung berechneten Streckenverlaufs und des über das Sensornavigationssystem
ermittelten Streckenverlaufs bei einer guten Qualität empfangener
GPS Signale mit der Vergleichseinheit, Überwachen von Größenänderungen
und Unstetigkeiten der Nullpunktverschiebungen mit der Vergleichseinheit
und Senden eines festgelegten Signals bei einer Abweichung, die einen
definierten Wert überschreitet.
Durch dieses Verfahren wird in einfacher Weise mit geringem Aufwand
eine zuverlässige
Erkennung von GPS Signalmanipulationen ermöglicht. Das Verfahren erfordert keine
tieferen Kenntnisse im Hinblick auf Details der GPS Technologie
oder einen Zugang zu Rohdaten der GPS Positionsberechnung. In Ergänzung zu
einer konventionellen GPS-Empfangseinrichtung ist das erfindungsgemäße Verfahren
mit kommerziell erhältlichen
Sensornavigationssystemen und einer weiteren, elektronische Signale
verarbeitenden Vergleichseinrichtung schnell und einfach realisierbar.
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Damit
Informationen zur Qualität
der empfangenen GPS Signale vorliegen, kann eine Mehrzahl von Qualitätsparametern
der mit der GPS Empfangseinrichtung empfangenen Signale überwacht und
ausgewertet werden.
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Als
ein erster Qualitätsparameter
kann die Anzahl aller Satelliten, von denen GPS Signale zur Positionsbestimmung
empfangen werden, ermittelt und ausgewertet werden.
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Als
zweiter Qualitätsparameter
kann die geometrische Verteilung aller Satelliten, von denen GPS
Signale zur Positionsbestimmung empfangen werden, ermittelt und
ausgewertet werden. Anhand dieser Daten kann auf die Güte der Positionen
geschlossen werden.
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Als
ein weiterer Qualitätsparameter
kann die Empfangsstärke
der Signale aller Satelliten, von denen GPS Signale zur Positionsbestimmung
empfangen werden, ermittelt und ausgewertet werden.
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Als
vierter Qualitätsparameter
kann die mittels einem Kalman Filter der GPS Empfangseinrichtung
berechnete Wahrscheinlichkeit eines Positionsfehlers der Satelliten,
von denen GPS Signale empfangen werden, ermittelt und ausgewertet
werden.
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Für die redundante
Ermittlung einer zurückgelegten
Strecke können
mit dem Sensornavigationssystem, Daten von einem Drehratensensor,
einem Tachometer, einem Beschleunigungssensor und differenzielle
Wegimpulse von ABS-Sensoren herangezogen und ausgewertet werden.
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Des
weiteren wird eine Vorrichtung zur Erkennung von unautorisiert erzeugten
GPS Signalen in einem Fahrzeug vorgeschla gen, die eine GPS Empfangseinrichtung
zum Empfang von GPS Signalen für
eine Berechnung eines Streckenverlaufs, ein Sensornavigationssystem
für eine
redundante Ermittlung des Streckenverlaufs und eine Vergleichseinheit
umfasst, wobei die Vergleichseinheit den von der GPS Empfangseinrichtung
berechneten Streckenverlauf mit dem von dem Sensornavigationssystem
berechneten Streckenverlauf vergleicht und bei einer Abweichung,
die einen definierten Wert überschreitet,
ein festgelegtes Signal aussendet. Mit dieser Vorrichtung ist eine
einfache, kostengünstige
und zuverlässige
Erkennung von GPS Signalmanipulationen möglich. Bei einem entwendeten
und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgerüsteten
Fahrzeug wird unmittelbar nach Feststellen einer Manipulation ein
definiertes Signal ausgesendet, das mit einer zusätzlichen
Einrichtung zur Weitergabe der Positionsdaten eine Lokalisierung
des Fahrzeugs ermöglicht.
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Für eine zuverlässige Funktion
der redundanten Ermittlung des Streckenverlaufs kann das Sensornavigationssystem
mehrere Navigationssensoren und eine entsprechende Sensorsignalverarbeitung
umfassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 erklärt. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Mehrzahl von GPS Satelliten, eines
GPS Manipulationsgerätes,
einer GPS Empfangseinrichtung und einer Anordnung zur Manipulationserkennung,
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2 eine
schematische Darstellung einer ersten real gefahrenen Strecke und
einer ersten manipulierten Bahnkurve sowie Diagramme zur Fehlerbetrachtung
und
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten real gefahrenen Strecke und
einer zweiten manipulierten Bahnkurve sowie Diagramme zur Fehlerbetrachtung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von GPS Satelliten 2,
eines GPS Manipulationsgerätes 4,
einer GPS Empfangseinrichtung 3 und einer Anordnung zur
Manipulationserkennung 10.
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GPS
Satelliten 2 senden GPS Satellitensignale S1–S4, die von der GPS Empfangseinrichtung 3 empfangen
werden. Das GPS Manipulationsgerät 4 sendet
zusätzlich
manipulierte Signale M1–M4,
die ebenfalls von der GPS Empfangseinrichtung 3 empfangen
werden. Die GPS Empfangseinrichtung 3 ist über eine
Datenleitung, die einen mittels GPS Daten berechnete Streckenverlauf 11 sowie
Qualitätsinformationen
zu empfangenen GPS Signalen 12 übermittelt, mit einer Vergleichseinheit 8 verbunden.
Zusätzlich
ist ein Sensornavigationssystem 5 über eine Datenleitung, die
einen mit dem Sensornavigationssystem ermittelten Streckenverlauf 9 übermittelt, ebenfalls
mit der Vergleichseinheit 8 verbunden, wobei das Sensornavigationssystem 5 Navigationssensoren 6 und
eine Sensorsignalverarbeitung 7 aufweist. Das Sensornavigationssystem 5 und
die Vergleichseinheit 8 bilden eine Anordnung zur Manipulationserkennung 10,
wobei die Sensorverarbeitung 7 und die Vergleichseinheit 8 innerhalb
eines integrierten Halbleiterchips realisierbar sind.
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Eine
Positionsänderung 1 wird
von der GPS Empfangseinrichtung 4 und redundant von den
Navigationssensoren 6 des Sensornavigationssystems 5 registriert
und verarbeitet. Mit den von der GPS Empfangseinrichtung 3 empfangenen
GPS Satellitensignalen S1–S4 wird ein Streckenverlauf berechnet, dessen
Daten der Vergleichseinheit 8 zugeführt werden.
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Von
der GPS Empfangseinrichtung 3 wird eine Mehrzahl von Qualitätsparametern
hinsichtlich der empfangenen GPS Satellitensignale S1–S4 ermittelt, wobei als Qualitätsparameter
geometrische Satellitenverteilung, Satellitenanzahl, Wahrscheinlichkeitswert
eines Positionsfehlers und Empfangsstärke der empfangenen GPS Signale
ermittelt und ausgewertet werden. Die Informationen zu den Qualitätsparametern
werden der Vergleichseinheit 8 zugeführt.
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Die
Navigationssensoren 6 des Sensornavigationssystems 5 führen aufgenommene
Messwerte der Sensorsignalverarbeitung 7 zu, wobei die
Navigationssensoren Drehratensensoren, Beschleunigungssensoren,
Tachometer oder ABS-Sensoren sind.
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Die
Sensorsignalverarbeitung 7 ermittelt auf der Basis der
von den Navigationssensoren 6 aufgenommenen Messwerte einen
redundanten Streckenverlauf, dessen Daten ebenfalls der Vergleicheinheit 8 zugeführt werden.
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Das
Sensornavigationssystem 5 weist einen charakteristischen
Fehler in Form einer so genannten Nullpunktverschiebung auf, der
sich mit fortschreitender Zeit stetig summiert. Bei einer guten Qualität der empfangenen
GPS Signale werden Korrekturwerte für die Nullpunktverschiebung
des Sensornavigationssystems 5 berechnet.
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Weisen
die Qualitätsparameter
der empfangenen GPS Signale eine hohe Genauigkeit auf und weicht
der mit der GPS Empfangseinrichtung 3 berechnete Steckenverlauf
durch Feststellen einer sprungartigen Unstetigkeit der Nullpunktverschiebung
erheblich von dem über
das Sensornavigationssystem 5 ermittelten Streckenverlauf
ab, erkennt die Vergleichseinheit 8 eine Manipulation der
empfangenen GPS Signale und es wird ein festgelegtes Signal 13 ausgesendet,
das die Feststellung einer Manipulation übermittelt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten real gefahrenen Strecke 14 und
einer ersten manipulierten Bahnkurve 15 sowie Diagramme
zur Fehlerbetrachtung.
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Die
obere Abbildung zeigt eine erste real gefahrene Strecke 14,
die von einem entwendeten Fahrzeug zurückgelegt wird. Die Strecke
beginnt bei der x-Koordinate 0 m und der y-Koordinate 0 m zu einem
Zeitpunkt t0 = 0. Zunächst verläuft die Strecke 14 ohne
eine Kurve. Bei der x-Koordinate 40 m und der y-Koordinate 95 m erfolgt eine Kurve nach
rechts, woraufhin die real gefahrene Strecke 14 wieder
gerade aus weiter verläuft.
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Bis
auf den Unterschied einer einen stetigen Anstieg aufweisenden Nullpunktverschiebung
wird ein mit der real gefahrenen Strecke 14 übereinstimmender
Streckenverlauf 16 mit dem Sensornavigationssystem 5 ermittelt.
Zugleich wird ein aktiviertes GPS Manipulationsgerät 4 in
die Nähe
des entwendeten Fahrzeugs gebracht, woraufhin die GPS Empfangseinrichtung 3 des
Fahrzeugs den auf der Basis von manipulierten GPS Signalen M1–M4 berechneten Streckenverlauf 15 ermittelt.
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Das
Diagramm Plot 1 zeigt einen Verlauf des Positionsfehlers,
der durch die stetige Nullpunktverschiebung des Sensornavigationssystems 5 entsteht.
Zu einem Zeitpunkt t1 = 100 Sekunden verringert
sich der Positionsfehlers zunächst,
da die real gefahrene Strecke 14 einer Zunahme des Positionsfehlers
kurzzeitig entgegenläuft.
Danach jedoch steigt der mit der Vergleichseinheit 8 festgestellte
Positionsfehler steil an, da der mit dem Sensornavigationssystem 5 ermittelte
Streckenverlauf 16 von dem mit auf der Basis von manipulierten
GPS Signalen M1–M4 berechneten,
ausschließlich
als gerade aus ausgewiesenen Streckenverlauf 15 zunehmend
stärker
abweicht.
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Diagramm
Plot 2 zeigt einen zu dem Verlauf des Positionsfehlers
zeitlich analogen Verlauf eines Winkelfehlers ΔΦ, der sich aufgrund der von
dem Sensornavigationssystem 5 und der GPS Empfangseinrichtung 3 durch
die manipulierten GPS Signale M1–M4 unterschiedlich ermittelten Streckenverläufe 16 und 15 zum
Zeitpunkt t1 = 100 Sekunden sprungartig ändert.
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In
Diagramm Plot 3 ist ein zu den Verläufen des Positionsfehlers und
des Winkelfehlers ebenfalls zeitlich analoger Verlauf eines Drehratenfehlers
dargestellt, wobei der Drehratenfehler auch als Ableitung des Winkelfehlers
bezeichnet wird. Überschreitet
die Ableitung des Winkelfehlers einen zuvor de finierten Grenzwert,
ist eine Manipulation erkannt und es wird ein Signal 13 ausgesendet,
das diese Feststellung übermittelt.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiten real gefahrenen Strecke 17 und
einer zweiten manipulierten Bahnkurve 18 sowie Diagramme
zur Fehlerbetrachtung.
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Die
obere Abbildung zeigt eine zweite real gefahrene Strecke 17,
die wiederum von einem entwendeten Fahrzeug zurückgelegt wird. Die Strecke beginnt
ebenfalls bei der x-Koordinate 0 m und der y-Koordinate 0 m zu einem
Zeitpunkt t0 = 0. Zunächst verläuft die Strecke 17 als
eine leichte Rechtskurve. Bei der x-Koordinate 75 m und der y-Koordinate
65 m erfolgt eine starke Rechtskurve, anschließend verläuft die real gefahrene Strecke 17 wieder
als eine leichte Rechtskurve weiter.
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Auch
hier wird bis auf eine kontinuierliche Nullpunktverschiebung ein
mit der real gefahrenen Strecke 17 übereinstimmender Streckenverlauf 19 mit
dem Sensornavigationssystem 5 ermittelt. Zugleich wird
wieder ein aktiviertes GPS Manipulationsgerät 4 in die Nähe des entwendeten
Fahrzeugs gebracht, woraufhin die GPS Empfangseinrichtung 3 des
Fahrzeugs den auf der Basis von manipulierten GPS Signalen M1–M4 berechneten Streckenverlauf 18 ermittelt.
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Der
in Plot 1 gezeigte Verlauf des durch die stetige Nullpunktverschiebung
des Sensornavigationssystems 5 entstehende Positionsfehler
verringert sich zu einem Zeitpunkt t1 =
100 Sekunden zunächst, da
die real gefahrene Strecke 17 einer Zunahme des Positionsfehlers
wieder kurzzeitig entgegenläuft.
Danach jedoch steigt der mit der Vergleichseinheit 8 festgestellte
Positionsfehler steil an, da der mit dem Sensornavigationssystem 5 ermittelte
Streckenverlauf 19 zunehmend von dem mit auf der Basis
von manipulierten GPS Signalen M1–M4 berechneten und nur eine leichte Rechtskurve
zeigenden Streckenverlauf 18 abweicht.
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Der
in Plot 2 gezeigte Verlauf des Winkelfehlers ΔΦ, ändert sich
aufgrund der von dem Sensornavigationssystem 5 und der
GPS Empfangseinrichtung 3 durch die manipulierten GPS Signale
M1–M4 unterschiedlich ermittelten Streckenverläufe 16 und 15 zu
dem Zeitpunkt t1 = 100 Sekunden erneut sprungartig.
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Auch
der in Plot 3 gezeigte Verlauf der Ableitung des Winkelfehlers
weist zum Zeitpunkt t1 = 100 Sekunden eine
sprungartige Änderung
auf, die einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet, woraufhin eine
Manipulation erkannt ist ein Signal 13 zur Übermittlung
dieser Feststellung ausgesendet wird.
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Analog
zu der Erkennung anhand eines Winkelfehlers ist eine Manipulationserkennung
auch anhand der Ableitung eines Geschwindigkeitsfehlers möglich.