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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fahrzeugs sowie eine entsprechende Steuervorrichtung.
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Das Bestimmen der Position eines Fahrzeugs mittels GNSS-Signalen eines globalen Satellitennavigationssystems GNSS ist grundsätzlich bekannt. Beispielsweise werden dabei dreidimensionale kartesische Koordinaten durch die Messung von Pseudostrecken auf Grundlage der Code- und/oder Phasendaten ermittelt, die durch die Satelliten auf mindestens zwei Frequenzen im L-Band ausgesendet werden. Bei den zur Verfügung stehenden Signalen wird zwischen dem Code, der auf das Trägersignal aufmoduliert ist und Informationen zum jeweiligen Satelliten enthält, und dem Trägersignal selbst bzw. dessen Phasenlage differenziert. Entsprechend unterscheidet man zwischen Code- und Phasenbeobachtungen.
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Zum Bestimmen der Position eines Fahrzeugs werden die Signale mehrerer Satelliten empfangen und jeweils zu jedem der Satelliten der Abstand bestimmt. Die empfangenen GNSS-Signale führen jedoch nicht zwangsläufig zu einem deckungsgleichen Punkt auf der Erde. Stattdessen wird daher eine Ausgleichsrechnung durchgeführt, also der Punkt bestimmt, der den geringsten Abstand bzw. Fehler bezüglich allen Satelliten bzw. deren Daten hat. Hierzu wird typischerweise die Methode der kleinsten Quadrate (Least-Square-Verfahren) genutzt.
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Es ist weiterhin bekannt, in Fahrzeugen zusätzliche Informationen, die von Sensoren, beispielsweise Inertialsensoren oder Umfeldsensoren gewonnen werden, heranzuziehen, um die Bestimmung der Position eines Fahrzeugs zu verbessern. Aus der
WO 2011 / 098 333 A 1 ist es beispielsweise bekannt, in einem Fahrzeug verschiedene Sensorgrößen heranzuziehen, um bereits vorhandene Sensorgrößen zu verbessern oder neue Sensorgrößen zu generieren und somit die erfassbare Information zu steigern.
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Moderne Systeme zur Bestimmung der Position eines Fahrzeugs weisen typischerweise einen Fusionsalgorithmus auf, der als Eingangsgrößen zumindest vom Empfänger empfangene GNSS-Signaldaten und Dynamikinformationen des Fahrzeugs verarbeitet. Dabei werden zu jedem Zeitpunkt alle verfügbaren Eingangsdaten verwendet und durch eine aufwändige Algorithmik gegeneinander gewichtet.
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Bei der Positionsbestimmung mittels des globalen Satellitennavigationssystems ist es möglich, lediglich die Codebeobachtungen zur Koordinatenberechnung zu verwenden. Diese weisen eine im Vergleich zur Phasenbeobachtung deutlich schlechtere Genauigkeit auf, sind aber eindeutig. Phasenmessungen sind hingegen genauer, aber mehrdeutig.
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Mit Hilfe spezieller Verfahren, Modelle und Korrekturen sind sogar Genauigkeiten auf dem Niveau von Zentimetern erreichbar. Während die absolute Positionsbestimmung im herkömmlichen Sinne lediglich Codebeobachtungen nutzt, beruhen genauere Verfahren, beispielsweise das Precise Point Positioning Verfahren, im Wesentlichen auf der Verarbeitung der genaueren Phasendaten, während die ungenaueren Codebeobachtungen vornehmlich nur zur Berechnung der notwendigen Näherungslösung verwendet werden. Neben den Positionskoordinaten und dem Empfängeruhrenfehler sind hier auch die Mehrdeutigkeiten aufgrund der Phasenbeobachtung Teil der Unbekannten. Satellitenbahn- und Satellitenuhrabweichungen wirken sich entsprechend besonders schwer aus, allerdings ist die erreichbare Genauigkeit bei diesem Verfahren wie schon erwähnt sehr gut.
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Allgemein unterliegt die GNSS-Positionsbestimmung jedoch einem bekannten Problem, nämlich der Möglichkeit von sogenanntem Spoofing. Dabei wird ein künstliches, sozusagen gefälschtes, Satellitensignal erzeugt, das zwar formal gültig, aber kein echtes GNSS-Signal ist. Es sorgt im GNSS-Empfänger dafür, dass die falsche Position ermittelt wird, da bei der Ausgleichsrechnung der ermittelten Satellitenabstände das künstliche Satellitensignal mit eingerechnet wird.
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Mit einem manipulierten Signal ist es daher möglich, den Empfang von GPS-Signalen nicht nur zu stören, wie es beispielsweise bei sogenannten GNSS-Jammern der Fall ist, sondern GNSS-Empfänger derart zu täuschen, dass falsche Positionsangaben die Folge sind. Die Möglichkeit solcher Angriffe könnte jedoch gerade hinsichtlich zukünftiger autonom fahrender Fahrzeuge besonders kritisch sein, da diese auf zuverlässige Satellitennavigation angewiesen sind.
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Zwar ist für die Zukunft des europäischen Satellitensystems Galileo ein Authentifizierungssignal geplant, das ein Fälschen von Signalen der Galileo-Satelliten verhindern soll, jedoch ist dieser Service auf Galileo beschränkt und nicht bzw. noch nicht allgemein verfügbar, so dass das Problem, insbesondere hinsichtlich anderer GNSS-Systeme weiter besteht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das zuverlässig und / oder mit geringem Aufwand eine Bestimmung der Position eines Fahrzeugs ermöglicht, auch wenn ein Angriff mittels eines manipulierten Signals (Spoofing) erfolgt.
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Unter einem manipulierten Signal oder auch Spoofing-Signal wird vorzugsweise ein Signal verstanden, das einem GNSS-Signal nachgeahmt ist, bzw. das die Frequenz, Datenstruktur und / oder andere Eigenschaften eines GNSS-Signals aufweist bzw. imitiert, aber nicht von einem für Navigationszwecke vorgesehenen GNSS-Satelliten stammt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Bestimmen der Position einer Empfangseinrichtung, mittels der Empfangseinrichtung ein GNSS-Signal empfangen, wie es von einem Satelliten eines globalen Satellitennavigationssystems ausgesendet wird, insbesondere also dessen Ausprägung und / oder Datenstruktur und / oder Frequenz aufweist. Der Begriff GNSS-Signal ist also nicht zwangsläufig so zu verstehen, dass es sich um ein von einem GNSS-Satelliten ausgehendes Signal handelt. Zwar trifft dies im Normalfall zu, jedoch kann es sich bei einem Spoofing-Angriff auch um ein Signal handeln, dass lediglich als Satellitensignal getarnt ist. Nachfolgend umfasst der Begriff GNSS-Signal daher beide Möglichkeiten. Erfindungsgemäß werden Code-Daten sowie Phasen-Informationen des GNSS-Signals bestimmt und die Code-Daten sowie Phasen-Informationen zur Erkennung, ob es sich bei dem um ein Manipulier-Signal handelt, miteinander plausibilisiert. Vorzugsweise ist die Empfangseinrichtung mit einer Steuervorrichtung über wenigstens eine Signalleitung verbunden, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet bzw. programmiert ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
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Das Verfahren ist vollkommen analog auch zum Bestimmen der Geschwindigkeit bzw. deren Richtung bei einer Empfangseinrichtung anwendbar und wird vorzugsweise auch zu diesem Zweck verwendet.
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Bevorzugt werden die folgenden Schritte ausgeführt:
- - Bestimmen von Code-Daten des GNSS-Signals bei einer ersten und einer zweiten Abtastung,
- - Bestimmen einer ersten Positionsinformation aus den Code-Daten des GNSS-Signals jeweils für die erste und die zweite Abtastung,
- - Bestimmen von Phasen-Informationen des GNSS-Signals, insbesondere des GNSS-Trägersignals, bei einer ersten und einer zweiten Abtastung,
- - Bestimmen einer zweiten Positionsinformation aus den Phasen-Informationen des GNSS-Signals jeweils für die erste und die zweite Abtastung,
wobei sich die erste und zweite Positionsinformation jeweils auf die Position der Empfangseinrichtung bezieht,
- - Vergleichen der Änderung der ersten Positionsinformation von der ersten zur zweiten Abtastung mit der Änderung der zweiten Positionsinformation von der ersten zur zweiten Abtastung.
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Die erste und zweite Abtastung bezieht sich vorzugsweise auf das Auslesen jeweils einer Datennachricht des GNSS-Signals, insbesonde getaktet durch die Uhr der Empfangseinrichtung.
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Das Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise, die Information aus den Code-Daten des GNSS-Signals auf einfache Weise mit den Informationen aus den Phasen-Informationen des GNSS-Signals zu plausibilisieren. Dabei lässt sich feststellen, ob der Phasenversatz des GNSS-Signals angesichts der Code-Daten bzw. der daraus gewonnenen Positionsinformation realistisch bzw. kompatibel ist. Mit anderen Worten wird überprüft, ob die Veränderung der Positionsinformation bei Code- und Phasenmessung, abzüglich gewisser Toleranzen, übereinstimmt. Ist keine bzw. eine nicht ausreichende Übereinstimmung gegeben, so kann mit einer gewissen Sicherheit davon ausgegangen werden, dass es sich um ein falsches, gegebenenfalls manipuliertes Signal, also sogenanntes Spoofing handelt.
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Bei den Positionsinformationen, insbesondere der ersten und zweiten Positionsinformation, handelt es sich bevorzugt um Informationen, die von dem Abstand des Empfängers zu dem Satellit, von dem das GNSS-Signal stammt, abhängige sind, bzw. um die Abstandsinformation selbst, wobei sich als Positionsinformation beispielsweise eine Kugelfläche oder deren Schnitt mit der Erdoberfläche ergeben kann. Zum Bestimmen der Position der Empfangseinrichtung werden vorzugsweise mehrere Positionsinformationen herangezogen und fusioniert, so dass sich als Schnittmenge beispielsweise ein Punkt oder angenäherter Punkt als die bestimmte Position ergibt.
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Es ist bevorzugt, dass die Code-Daten die Satellitenbahn- und Satellitenuhrdaten umfassen, wobei zum Bestimmen der ersten Positionsinformation der Abstand der Empfangseinrichtung zum Satelliten aus der Signallaufzeit und der Satellitenposition berechnet werden. Da die Code-Daten mit Lichtgeschwindigkeit übermittelt wurden, lässt sich so auf den Abstand zurückrechnen.
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Es ist bevorzugt, dass die Phasen-Informationen den Phasenversatz, insbesondere der Trägerphase, vom Aussenden zum Empfangen des GNSS-Signals umfassen, wobei zum Bestimmen der zweiten Positionsinformation zusätzlich die Anzahl der vollständigen Perioden bzw. Phasendurchläufe des GNSS-Signals ermittelt wird. Ausgehend von einem mittels der Code-Daten bestimmten Abstand zwischen Empfänger und Satellit bzw. ausgehend von der ersten Positionsinformation lässt sich beispielsweise die Anzahl der vollständigen Perioden bzw. Phasendurchläufe ermitteln, da die Wellenlänge des GNSS-Signals bekannt ist. Um das genaue Endstück, an das sich die Signalphase anschließt, zuverlässiger bestimmen zu können, können beispielsweise bekannte Verfahren verwendet werden, die wiederum von den Code-Daten Gebrauch machen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt auf
- - Überprüfen, ob der Differenzbetrag zwischen der Änderung der ersten Positionsinformation und der Änderung der zweiten Positionsinformation einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und Ausgeben eines Indikator-Signals, falls dies der Fall ist. Das Indikator-Signal kann beispielsweise anschließend weiterverwertet werden, vorzugsweise mittels elektronischer Datenverarbeitung. Das Indikator-Signal kann alleine oder unter Berücksichtigung weiterer Indikatoren, die beispielsweise mit anderen Verfahren ermittelt werden, verwendet werden, um auf einen Spoofing-Versuch zu erkennen.
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Vorzugsweise enthält das Indikator-Signal eine Information über das empfangene GNSS-Signal, die dieses eindeutig kennzeichnet. Durch diese Zuordnung kann das Indikator-Signal zielgerichtet weiterverwertet werden.
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Es ist bevorzugt, dass nach einmaliger oder mehrfacher Ausgabe des Indikator-Signals das gekennzeichnete GNSS-Signal als Eingangsgröße zur Bestimmung der Position der Empfangseinrichtung schwächer gewichtet oder ausgeschlossen bzw. nicht weiter verwendet wird. Somit kann die Gefahr beseitigt und die Bestimmung der Position der Empfangseinrichtung mittels Satellitennavigation weitergeführt werden. Eine schwächere Gewichtung bezieht sich auf eine Ausgleichsrechnung, mit der aus mehreren Satellitensignalen die Position der Empfangseinrichtung unter Gewichtung der jeweiligen Signale durchgeführt wird, beispielsweise mit der Methode der kleinsten (Fehler-)Quadrate unter Berücksichtigung einer Gewichtung.
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Vorzugsweise erfolgt nach einmaliger oder mehrfacher Ausgabe des Indikator-Signals eine Anzeige auf einer Anzeigevorrichtung, die optisch sichtbar auf einen Manipulierungsversuch hinweist. Dies kann beispielsweise mit einer Warnnachricht oder einem Symbol auf einem Display erfolgen. Somit kann beispielsweise ein menschlicher Fahrzeuginsasse auf den Vorfall aufmerksam gemacht werden.
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Bevorzugt wird überprüft, ob die Code-Daten des GNSS-Signals Authentifizierungsdaten enthalten und, wenn dies der Fall ist, die Authentifizierungsdaten mittels des Indikator-Signals plausibilisiert werden oder umgekehrt. Wie Eingangs erläutert ist für das europäische Satellitensystem Galileo ein solches Authentifizierungssignal geplant. Dieses oder zukünftige Authentifizierungssignale anderer Systeme können vorzugsweise zusätzlich bzw. unterstützend zu dem angegebenen Verfahren zur Erkennung von Spoofing herangezogen werden.
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Bevorzugt werden zum Bestimmen der Position der Empfangseinrichtung wenigstens GNSS-Signale von vier verschiedenen Satelliten herangezogen. Somit ist eine näherungsweise punktförmige Eingrenzung der Position möglich sowie Information zur Kompensation von Uhrenfehlern vorhanden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine, vorzugsweise elektronische, Steuervorrichtung, eingerichtet, das angegebene Verfahren durchzuführen.
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Gemäß einem zusätzlichen Aspekt umfasst ein Fahrzeug, insbesondere ein autonom betreibbares Fahrzeug, eine solche Steuervorrichtung.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit den nachfolgend erläuterten Zeichnungen. Dabei zeigen in stark schematischer Darstellung die
- 1 einen Spoofing-Angriff auf eine Empfangseinrichtung, die GNSS-Signale von Satelliten eines globalen Satellitennavigationssystems empfängt,
- 2 das Prinzip einer Phasenmessung bei einem GNSS-Signal,
- 3 ein Ablauf nach einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der Position einer Empfangseinrichtung.
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In 1 ist mit einem Dreieck eine Empfangseinrichtung 10 für GNSS-Signale dargestellt. Diese kann beispielsweise als festinstallierte GNSS-Antenne Teil eines Straßenfahrzeuges sein. Da bei der Positionsbestimmung schon geringe Uhrenfehler zu großen Abweichungen führen, wird zusätzlich zu den drei für die Positionsbestimmung nötigen Satelliten 1, 2, 3 ein vierter Satellit 4 hinzugezogen, um die Uhrenfehler als zusätzliche Unbekannte auflösen zu können. Es versteht sich, dass in der Praxis oft mehr als vier Satellitensignale empfangen werden können, was dann für eine erhöhte Präzision bzw. Datenintegrität nutzbar ist. Die GNSS-Signale 6, 7, 8, 9 umfassen jeweils ihren individuellen Code und ihre individuellen Satellitenbahndaten bzw. Ephemeriden, aus denen der Satellitenstandort für jeden Zeitpunkt berechnet werden kann. Die Trägerwelle des GNSS-Signals 6, 7, 8, 9 durchläuft auf dem Weg vom Satellit 1, 2, 3, 4 zum Empfänger mehrere Perioden, also volle bzw. 27T-Phasendurchläufe und weist zusätzlich ein Phasenendstück 61 auf, das bei Kenntnis der Anzahl der vollen Phasendurchläufe eine besonders präzise Information über den Empfänger-Satellitenabstand enthält.
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Zusätzlich zu den vier GNSS-Signalen 6, 7, 8, 9 der Satelliten 1, 2, 3, 4 ist in 1 ein weiteres GNSS-Signal 5 dargestellt, das allerdings nicht von einem Satelliten stammt, sondern von einem Spoofing-Sender 50, dargestellt als Menschen-Symbol. Dabei versucht ein Angreifer, mit einem imitierten Satellitensignal die Empfangseinrichtung 10 zu täuschen, also eine fehlerhafte Positionsbestimmung hervorzurufen.
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Anhand der 2 soll deutlich werden, wie mit einer Messung der Trägerphase eines GNSS-Signals 5, 6, 7, 8 eine besonders präzise Abstandsbestimmung zwischen Satellit 1, 2, 3, 4 bzw. vorgetäuschtem Satellit und Empfangseinrichtung 10 ermöglicht wird. Dabei ist das Phasenendstück 61 in der 2 mit einer Klammer gekennzeichnet. Da die Wellenlänge des Trägersignals bekannt ist, lässt sich die dem Phasenendstück 61 entsprechende Länge leicht bestimmen. Die so bestimmte Phasen-Informationen des GNSS-Signals 6, wie auch die Code-Daten des GNSS-Signals 6 lassen sich also für jeweils eine Positionsinformation heranziehen, wobei diese Positionsinformationen nicht bzw. nur geringfügig voneinander abweichen, sofern das GNSS-Signal 6 wirklich von einem Satelliten stammt.
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Mit 3 wird verdeutlicht, wie die Code-Daten und die Phasen-Informationen des GNSS-Signals 5, 6, 7, 8, 9 miteinander plausibilisiert werden können. Dies ist möglich durch das Bestimmen von Code-Daten des GNSS-Signals 5, 6, 7, 8, 9 bei einer ersten und einer zweiten Abtastung in einem ersten Schritt 11. Im nächsten Schritt 12 wird jeweils für die erste und die zweite Abtastung eine Positionsinformation aus den Code-Daten des GNSS-Signals 5, 6, 7, 8, 9 bestimmt.
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Entsprechend werden in Schritt 21 auch die Phasen-Informationen des GNSS-Signals 5, 6, 7, 8, 9, insbesondere des GNSS-Trägersignals, bei einer ersten und einer zweiten Abtastung bestimmt. Daraus wird in Schritt 22 eine zweite Positionsinformation aus den Phasen-Informationen des GNSS-Signals 5, 6, 7, 8, 9 jeweils für die erste und die zweite Abtastung bestimmt. Die erste und zweite Positionsinformation bezieht sich jeweils auf die Position der Empfangseinrichtung 10, genauer gesagt den Abstand der Empfangseinrichtung 10 von dem Satelliten 1, 2, 3, 4 bzw. den Abstand zu der von einem imitierten GNSS-Signal 5 vorgegebenen Position eines Satelliten.
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Mit dem Schritt 30 wird die Änderung der ersten Positionsinformation von der ersten zur zweiten Abtastung mit der Änderung der zweiten Positionsinformation von der ersten zur zweiten Abtastung verglichen bzw. ein Differenzbetrag ermittelt. Passen die Positionsinformationen nicht zueinander, ist dies ein Hinweis darauf, dass es sich nicht um ein GNSS-Signal 6, 7, 8, 9 eines Satelliten 1, 2, 3, 4 des Navigationssystems, sondern um ein gefälschtes GNSS-Signal 5 handelt. Durch diesen Plausibilisierungsschritt wäre ein Angreifer gezwungen, statt lediglich großflächig ein Signal mit gefälschtem Dateninhalt zu verbreiten, auch den Phasenversatz, mit dem die Nachricht die Empfangseinrichtung 10 erreicht, korrekt zu fälschen, um die Empfangseinrichtung 10 erfolgreich zu täuschen. Dies setzt jedoch eine Beobachtung des Empfängers voraus und eine Täuschung könnte nur noch für einen bestimmten Vektor, also einen Punkt im Raum mit einer Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung, erzeugt werden.
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Die Notwendigkeit eine Empfangseinrichtung 10 zu verfolgen, deren Position und gerichtete Bewegung zu ermitteln und dann in Echtzeit ein gefälschtes GNSS-Signal 5 für diese Position zu berechnen und auszusenden, stellt für Spoofing-Angreifer eine kaum überwindbare Hürde dar. Darüber hinaus lässt sich bei Anwendung des angegebenen Verfahrens eine großflächige Manipulation mehrerer Empfangseinrichtungen 10 nicht erfolgreich durchführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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