DE102020119348A1 - BROADBAND SPREADING CODE AUTHENTICATION USING TIME-DEPENDENT FREQUENCY VARIATIONS FOR GNSS - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Betreiben eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS, wird offenbart. Ein Spreizcode wird bereitgestellt. Eine Trägerwelle mit einer Trägerfrequenz wird bereitgestellt. Eine Frequenzfunktion auf die Trägerwelle angewendet. Die Frequenzfunktion definiert einen zeitabhängigen Verlauf in Frequenzraum. Die Frequenzfunktion verändert sich periodisch. Anschließend wird der Spreizcode auf die Trägerwelle moduliert.A method of operating a global navigation satellite system, GNSS, is disclosed. A spreading code is provided. A carrier wave having a carrier frequency is provided. A frequency function applied to the carrier wave. The frequency function defines a time-dependent course in frequency space. The frequency function changes periodically. The spreading code is then modulated onto the carrier wave.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft den Betrieb eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS). Insbesondere betrifft die Erfindung die Erzeugung, Übertragung und Verarbeitung von GNSS-Signalen zum Schutz vor Manipulation durch Unbefugte.The invention relates to the operation of a global navigation satellite system (GNSS). In particular, the invention relates to the generation, transmission and processing of GNSS signals to protect against manipulation by unauthorized persons.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS) bezeichnet ein System zur Positionsbestimmung sowie zur Navigation auf der Erde, im Wasser, in der Luft und/oder im Weltraum durch den Empfang von Signalen von Satelliten (Navigationssatelliten) und Pseudoliten wie beispielsweise das ATC (Ancillary Terrestrial Component) oder das CGC (Complementary Ground Component). Es werden von Satelliten ausgesendete Radiosignale verwendet, um die Position, Geschwindigkeit und Uhrzeit (position, velocity and time, PVT) eines Benutzers zu bestimmen. Beispiele für GNSS sind etwa das US-amerikanische GPS, das europäische Galileo, das russische GLONASS oder das chinesische Beidou.A global navigation satellite system (GNSS) refers to a system for determining position and navigating on earth, in water, in the air and/or in space by receiving signals from satellites (navigation satellites) and pseudolites such as the ATC (Ancillary Terrestrial Component) or the CGC (Complementary Ground Component). It uses radio signals broadcast by satellites to determine a user's position, velocity and time (PVT). Examples of GNSS are the US GPS, the European Galileo, the Russian GLONASS or the Chinese Beidou.
Die Bedeutung der GNSS nimmt in verschiedenen Bereichen der Gesellschaft, Wirtschaft, Industrie und Forschung stetig zu. Die Bereitstellung und Nutzung eines bestimmten GNSS kann zusammenfassend als ein GNSS-Dienst bezeichnet werden. Es kann zwischen öffentlichen GNSS-Diensten, die für die zivile Nutzung öffentlich zugänglich sind, und geschlossenen/regulierten GNSS-Diensten, insbesondere für die Nutzung durch das Militär, unterschieden werden. GNSS-Dienste werden für sicherheitsrelevante Anwendungen wie beispielsweise autonomes Fahren, Stromnetzsynchronisierung oder Zeitstempel für Aktientransaktionen eingesetzt.The importance of GNSS is constantly increasing in various areas of society, business, industry and research. The provision and use of a particular GNSS can be collectively referred to as a GNSS service. A distinction can be made between public GNSS services, which are publicly available for civilian use, and closed/regulated GNSS services, in particular for military use. GNSS services are used for safety-related applications such as autonomous driving, power grid synchronization or time stamps for stock transactions.
Ein Radiosignal, das von einem Satelliten eines GNSS ausgesendet wird, kann als ein GNSS-Signal bezeichnet werden. Ein GNSS-Empfänger kann einem so genannten Spoofing-Angriff ausgesetzt sein. Dabei kann ein Unbefugter ein von einem Satelliten ausgesendetes, echtes Radiosignal imitieren, d.h. zumindest teilweise manipulieren und das manipulierte Radiosignal (imitiertes GNSS-Signal) derart aussenden, dass das echte Radiosignal durch das manipulierte Radiosignal überlagert wird. Insbesondere wird das manipulierte Radiosignal mit einer erhöhten Sendeleistung gegenüber dem echten GNSS-Satellit ausgesendet, sodass es für einen ahnungslosen Empfänger erschwert wird, das manipulierte Radiosignal von dem echten Radiosignal zu differenzieren. Hierdurch können Navigationssysteme funktionsunfähig gemacht werden und/oder ahnungslose Empfänger verfälschte GNSS-Signale erhalten, in welchen beispielsweise Navigations-, Positions- und/oder Zeitdaten verfälscht sind. Denkbar ist ferner, dass derartige Angriffe zur Verschleierung von bestimmten Positionen verwendet werden.A radio signal broadcast by a satellite of a GNSS can be referred to as a GNSS signal. A GNSS receiver can be subject to a so-called spoofing attack. An unauthorized person can imitate a real radio signal transmitted by a satellite, i.e. manipulate it at least partially and transmit the manipulated radio signal (imitation GNSS signal) in such a way that the real radio signal is overlaid by the manipulated radio signal. In particular, the manipulated radio signal is transmitted with an increased transmission power compared to the real GNSS satellite, making it more difficult for an unsuspecting receiver to differentiate the manipulated radio signal from the real radio signal. As a result, navigation systems can be rendered inoperable and/or unsuspecting recipients can receive corrupted GNSS signals in which, for example, navigation, position and/or time data are corrupted. It is also conceivable that such attacks are used to conceal certain positions.
Ein so genannter SCER-Angriff (Secure Code Estimation and Replay Angriff) stellt eine Sonderart eines Spoofing-Angriffs dar. Hierbei empfängt ein Angreifer einen ersten Teil eines GNSS-Signals und schätzt in Echtzeit den restlichen Teil des GNSS-Signals basierend auf dem empfangenen ersten Teil. Der geschätzte restliche Teil des GNSS-Signals wird manipuliert (imitiert) und ausgesendet, möglicherweise mit einer erhöhten Sendeleistung. Ein Empfänger, der das manipulierte GNSS-Signal womöglich nicht von dem unverfälschten GNSS-Signal unterscheiden kann, verwendet das manipulierte GNSS-Signal für die Positionsbestimmung und Navigation, was zu falschen Ergebnissen führt.A so-called SCER attack (Secure Code Estimation and Replay attack) is a special type of spoofing attack. Here, an attacker receives a first part of a GNSS signal and estimates the remaining part of the GNSS signal in real time based on the first part received Part. The estimated remaining part of the GNSS signal is manipulated (mimicked) and transmitted, possibly with an increased transmit power. A receiver that may not be able to distinguish the manipulated GNSS signal from the uncorrupted GNSS signal will use the manipulated GNSS signal for positioning and navigation, leading to incorrect results.
Daher wird es erwünscht, den Schutz von GNSS-Diensten vor einem Spoofing-Angriff und insbesondere vor einem SCER- Angriff zu verbessern, um die Funktionsfähigkeit des GNSS zu gewährleisten und die Sicherheit für das GNSS zu erhöhen. Insbesondere soll der Schutz auf Chip-Ebene (Spreizkode-Ebene) verbessert werden. Daneben soll die Unabhängigkeit der GNSS-Dienste von externen Kommunikationskanälen gewährleistet werden. Empfängerseitig sollen die technischen Anforderungen für die Umsetzung der vorgeschlagenen Technologie nicht übermäßig hoch sein.It is therefore desirable to improve the protection of GNSS services from a spoofing attack and in particular from a SCER attack in order to ensure the operability of the GNSS and to increase the security for the GNSS. In particular, the protection at chip level (spreading code level) is to be improved. In addition, the independence of the GNSS services from external communication channels should be guaranteed. On the recipient side, the technical requirements for implementing the proposed technology should not be excessively high.
KURZE ZUSAMMENFASSUNGSHORT SUMMARY
Die obigen Aufgaben werden zumindest teilweise durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besonders hervorzuhebende Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstands sind durch die abhängigen Ansprüche gegeben.The above objects are at least partly solved by the subject matter of
Offenbart hierin ist ein Verfahren zum Betreiben eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS. Gemäß dem Verfahren wird ein Spreizcode bereitgestellt. Eine Trägerwelle mit einer Trägerfrequenz wird bereitgestellt. Eine Frequenzfunktion wird bereitgestellt, die einen zeitabhängigen Verlauf in Frequenzraum definiert und sich periodisch verändert. Die Frequenzfunktion wird auf die Trägerwelle angewendet. Der Spreizcode wird auf die Trägerwelle moduliert.Disclosed herein is a method of operating a Global Navigation Satellite System, GNSS. According to the method, a spreading code is provided. A carrier wave having a carrier frequency is provided. A frequency function is provided that defines a time-dependent course in frequency space and changes periodically. The frequency function is applied to the carrier wave. The spreading code is modulated onto the carrier wave.
Die Anwendung der Frequenzfunktion bewirkt insbesondere, dass es Unbefugten zunächst unbekannt bleibt, auf welcher Frequenz das GNSS-Signal ausgesendet wurde und wie sich diese Frequenz zeitlich veränderte. Die Frequenzfunktion bleibt für die Allgemeinheit und somit für Unbefugte, einschließlich eines potentieller Angreifers oder eines Benutzers von GNSS-Diensten, welcher seine eigene Position vorzutäuschen versucht, zumindest für eine Weile unbekannt. Dadurch wird es Unbefugten erschwert, ein GNSS-Signal zu imitieren. Zudem wird das für die Übersendung genutzte Frequenzspektrum (Frequenzband) erweitert (verbreitert), so dass das spektrale Leistungsdichtespektrum des Signals homogener über einen größeren Frequenzbereich verteilt ist. Auch hierdurch kann das Schätzen des Spreizcodes erschwert werden.In particular, the use of the frequency function means that unauthorized persons initially remain unaware of the frequency on which the GNSS signal was transmitted and how this frequency changed over time. The frequency function remains unknown, at least for a while, to the general public and thus to unauthorized persons, including a potential attacker or a user of GNSS services trying to spoof their own position. This makes it difficult for unauthorized persons to imitate a GNSS signal. In addition, the frequency spectrum (frequency band) used for transmission is expanded (broadened) so that the spectral power density spectrum of the signal is distributed more homogeneously over a larger frequency range. This can also make it more difficult to estimate the spread code.
Des Weiteren wird durch den beanspruchten Gegenstand eine autonome Spreizcode-Authentifizierung bereitgestellt. Gleichzeitig ist die Erhöhung der technischen Anforderungen an den Empfänger im Vergleich zu einem GNSS-Dienst ohne den hierin offenbarten Schutz, verhältnismäßig gering, denn die Änderungen der Trägerfrequenz gemäß der Frequenzfunktion kann leicht in die herkömmliche Phasenverfolgung der Trägerwelle integriert werden. Ferner ermöglicht der beanspruchte Gegenstand eine effizientere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche.Furthermore, autonomous spreading code authentication is provided by the claimed subject matter. At the same time, compared to a GNSS service without the protection disclosed herein, the increase in the technical requirements for the receiver is relatively small, because the changes in the carrier frequency according to the frequency function can be easily integrated into the conventional phase tracking of the carrier wave. Furthermore, the claimed subject matter enables more efficient use of the available frequency ranges.
Hierin können die Begriffe Signal, Radiosignal und GNSS-Signal austauschbar verwendet sein, sofern nicht anders angegeben oder sofern nicht mit einem Signal offensichtlich etwas anderes gemeint ist als ein GNSS-Signal oder ein Radiosignal eines GNSS. Der hierin beschriebene Gegenstand kann für regulierte GNSS-Dienste, mit oder ohne Spreizcode-Verschlüsselung, wie auch für öffentliche GNSS-Dienste, mit oder ohne Spreizcode-Authentifizierung, implementiert werden.Herein, the terms signal, radio signal, and GNSS signal may be used interchangeably unless otherwise noted or unless a signal obviously means something other than a GNSS signal or a radio signal of a GNSS. The subject matter described herein can be implemented for regulated GNSS services, with or without spreading code encryption, as well as for public GNSS services, with or without spreading code authentication.
Der Spreizcode wird hierin in Übereinstimmung mit den branchenüblichen Frequenzspreizverfahren, insbesondere dem Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) und/oder dem Codemultiplexverfahren (CDMA), verwendet. Insbesondere umfasst der Spreizcode eine Folge von einzelnen Modulationszuständen, die binär sein können und als Chips bezeichnet werden. Demnach kann der Spreizcode eine binäre Chipfolge umfassen, wobei ein Chip des Spreizcodes einen einzelnen Modulationszustand vergleichbar mit einem Bit bezeichnen kann. Beispielsweise wird ein Datenbit (insbesondere von einer Navigationsnachricht) mit den Chips des Spreizcodes moduliert (e.g. überlagert und/oder multipliziert), wodurch die spektrale Leistung über ein vergrößertes Frequenzband verteilt werden (gespreizt) kann. Eine Überlagerung der Navigationsnachricht mit dem Spreizcode kann dadurch erfolgen, dass die Navigationsnachricht und der Spreizcode jeweils auf die Trägerwelle moduliert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Navigationsnachricht und der Spreizcode miteinander überlagert werden und ein derart überlagertes Signal kann auf die Trägerwelle moduliert werden. Dabei kann die Navigationsnachricht auf den Spreizcode moduliert werden, oder der Spreizcode kann auf die Navigationsnachricht moduliert werden. In weiteren Beispielen kann ein Signalgenerator bereitgestellt sein, der ein derart überlagertes Signal der Navigationsnachricht und des Spreizcodes erzeugt.The spreading code is used herein in accordance with industry standard frequency spreading techniques, particularly Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) and/or Code Division Multiple Access (CDMA). In particular, the spreading code includes a sequence of individual modulation states, which can be binary and are referred to as chips. Accordingly, the spreading code can comprise a binary chip sequence, with a chip of the spreading code being able to denote an individual modulation state in a manner comparable to a bit. For example, a data bit (particularly from a navigation message) is modulated (e.g., superimposed and/or multiplied) with the chips of the spreading code, allowing the spectral power to be distributed (spread) over an increased frequency band. The navigation message can be superimposed with the spread code in that the navigation message and the spread code are each modulated onto the carrier wave. Alternatively or additionally, the navigation message and the spreading code can be superimposed on one another and a signal superimposed in this way can be modulated onto the carrier wave. The navigation message can be modulated onto the spread code, or the spread code can be modulated onto the navigation message. In further examples, a signal generator can be provided which generates such a superimposed signal of the navigation message and the spreading code.
Dabei kann eine Rate des Datenbits um ein Vielfaches (beispielsweise um 5 bis 7 Größenordnungen) geringer als eine Chip-Rate des Spreizcodes sein. Beispielsweise beträgt die Rate des Datenbits 1 bis 3000 Bits pro Sekunde, insbesondere 50 bis 250 Bits pro Sekunde. Die Chip-Rate des Spreizcodes kann beispielsweise 1•105 bis 1•1012 Chips pro Sekunde, insbesondere 1 • 1,023 MHz bis 10 • 1,023 MHz betragen.In this case, a rate of the data bit can be lower by a multiple (for example by 5 to 7 orders of magnitude) than a chip rate of the spread code. For example, the rate of the data bit is 1 to 3000 bits per second, in particular 50 to 250 bits per second. The chip rate of the spreading code can be, for example, 1×10 5 to 1×10 12 chips per second, in particular 1×1.023 MHz to 10×1.023 MHz.
Der Spreizcode und dessen Chip-Rate können insbesondere so eingerichtet werden, dass eine spektrale Leistung der mit dem Spreizcode modulierten Trägerwelle unter einen üblichen Pegel des thermischen Rauschens sinkt. Auf diese Weise kann eine Nachricht, die über die mit dem Spreizcode modulierte Trägerwelle übertragen wurde, im thermischen Rauschen eines empfangenen GNSS-Signals zunächst unerkannt bleiben. Ein Empfänger, der den Spreizcode kennt, kann den Spreizcode verwenden, um die Nachricht aus dem empfangenen GNSS-Signal zu extrahieren. Zudem kann ein jeder Satellit eines GNSS einen eigenen Spreizcode besitzen, wodurch der Satellit als Sender identifiziert werden kann. Sofern nicht anders angegeben, wird hierin der Begriff Sender allgemein verwendet und umfasst sowohl einen Satelliten eines GNSS als auch etwaige Pseudoliten und sonstige Sendervorrichtungen, die am GNSS als Sender teilnehmen können.In particular, the spread code and its chip rate can be set up in such a way that a spectral power of the carrier wave modulated with the spread code drops below a normal level of thermal noise. In this way, a message that was transmitted via the carrier wave modulated with the spreading code can initially remain undetected in the thermal noise of a received GNSS signal. A receiver that knows the spreading code can use the spreading code to extract the message from the received GNSS signal. In addition, each satellite of a GNSS can have its own spread code, which allows the satellite to be identified as a transmitter. Unless otherwise specified, the term transmitter is used generically herein and includes both a satellite of a GNSS and any pseudolites and other transmitter devices that can participate in the GNSS as transmitters.
Die Trägerwelle bezeichnet eine elektromagnetische Welle mit einer Trägerfrequenz. Die Trägerwelle kann als eine Radiowelle (hierin gleichbedeutend mit Funkwelle oder Hertzscher Welle) bereitgestellt sein. Die Trägerfrequenz kann zwischen 30 kHz und 3000 GHz, insbesondere zwischen 3 MHz und 300 GHz, und genauer zwischen 300 MHz und 3 GHz liegen. Die Trägerfrequenz kann für das jeweilige GNSS und/oder für den jeweiligen GNSS-Dienst festgelegt sein. In spezifischen Beispielen kann die Trägerfrequenz um 1575,42 MHz (so genanntes L1/E1 Frequenzband), 1191,795 MHz, 1278,75 MHz, 1227,60 MHz, 1176,45 MHz liegen und/oder um diese Frequenzen innerhalb einer Abweichung von ± 100 MHz variieren. Ferner kann für den Sender eine Zentralfrequenz bereitgestellt sein, die beispielsweise eine der vorgenannten Werte annehmen kann, und die Trägerfrequenz kann innerhalb eines Frequenzbandes von ± 100 MHz um die Zentralfrequenz bereitgestellt sein.The carrier wave refers to an electromagnetic wave with a carrier frequency. The carrier wave may be provided as a radio wave (herein synonymous with radio wave or Hertzian wave). The carrier frequency can be between 30 kHz and 3000 GHz, in particular between 3 MHz and 300 GHz, and more precisely between 300 MHz and 3 GHz. The carrier frequency can be specified for the respective GNSS and/or for the respective GNSS service. In specific examples, the carrier frequency may be around 1575.42 MHz (so-called L1/E1 frequency band), 1191.795 MHz, 1278.75 MHz, 1227.60 MHz, 1176.45 MHz and/or around these frequencies within a deviation of vary ± 100MHz. Furthermore, a central frequency can be provided for the transmitter, which can assume one of the aforementioned values, for example, and the carrier frequency can be provided within a frequency band of ±100 MHz around the central frequency.
In konkreten Beispielen können mehrere diskrete Auswahlfrequenzen bereitgestellt sein, und die Trägerfrequenz kann eine der Auswahlfrequenzen annehmen. Die Auswahlfrequenzen können, im Frequenzraum, um einen Abstand voneinander beabstandet sein. Dieser Abstand im Frequenzraum kann äquivalent zu einem Produkt eines Faktors und eines Grundtaktes eines Satelliten sein, wobei der Faktor 0,01 bis 100 beträgt. Zusätzlich oder alternativ können die Auswahlfrequenzen innerhalb eines Frequenzbereichs verteilt sein, dessen Breite äquivalent zu einem Produkt eines weiteren Faktors und des Grundtaktes eines Satelliten ist, wobei der weitere Faktor 0.01 bis 104 beträgt. Beispielsweise beträgt der Grundtakt eines Satelliten 1,023 MHz.In specific examples, multiple discrete selection frequencies may be provided and the carrier frequency may assume one of the selection frequencies. The selection frequencies may be spaced a distance apart, in frequency space. This distance in frequency space can be equivalent to a product of a factor and a satellite's fundamental clock, where the factor is 0.01 to 100. Additionally or alternatively, the selection frequencies can be distributed within a frequency range whose width is equivalent to a product of a further factor and the fundamental clock of a satellite, the further factor being 0.01 to 10 4 . For example, the base clock of a satellite is 1.023 MHz.
Sofern nicht anders angegeben, wird der Begriff Trägerwelle hierin verwendet, um ein elektromagnetische Ausbreitungsmedium zur Übertragung eines Signals wie eines GNSS-Signals zu bezeichnen. Sofern nicht anders angegeben, wird der Begriff Signal hierin verwendet, um ein Zeichen oder eine Zeichenfolge zu bezeichnen, die oder das durch die Trägerwelle übertragen wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Begriff Signal als ein Wellenpaket oder ein zeitlich zusammenhängender Abschnitt der Trägerwelle verstanden, welches oder welcher gemäß einem Zeichen oder einer Zeichenfolge einer zu übertragenden Information modifiziert ist. Das Zeichen oder die Zeichenfolge kann binär sein. Die Modifikation erfolgt beispielsweise durch ein Modulationsverfahren, insbesondere eine Phasenmodulation. Beispielsweise wird das Zeichen oder die Zeichenfolge der zu übertragenden Information auf die Trägerwelle moduliert, um ein Signal zu bilden.Unless otherwise specified, the term carrier wave is used herein to denote an electromagnetic propagation medium for transmitting a signal, such as a GNSS signal. Unless otherwise specified, the term signal is used herein to denote a character or sequence of characters carried by the carrier wave. Alternatively or additionally, the term signal is understood as a wave packet or a temporally coherent section of the carrier wave, which is modified according to a character or a character string of information to be transmitted. The character or string can be binary. The modification takes place, for example, by a modulation method, in particular a phase modulation. For example, the character or character string of information to be transmitted is modulated onto the carrier wave to form a signal.
Die Information (Nachricht), die mittels eines Signals (oder als ein Signal) übertragen wird, kann eine Navigationsnachricht enthalten oder einen Hinweis darauf liefern. Die Navigationsnachricht kann insbesondere Angaben über eine Position (so genannten Ephemeriden) und/oder eine Uhrzeit des jeweiligen Senders, beispielsweise des jeweiligen Satelliten, enthalten. Ferner kann die zu übertragende Information einen Code zur Authentifizierung des Signals enthalten. Des Weiteren kann die zu übertragende Information einen Schlüssel zur Entschlüsselung von verschlüsselten Informationen enthalten.The information (message) transmitted by means of a signal (or as a signal) may contain or provide an indication of a navigation message. In particular, the navigation message can contain information about a position (so-called ephemeris) and/or a time of the respective transmitter, for example the respective satellite. Furthermore, the information to be transmitted can contain a code for authenticating the signal. Furthermore, the information to be transmitted can contain a key for decrypting encrypted information.
Die Frequenzfunktion umfasst eine mathematische Funktion, die einen zeitabhängigen Verlauf in Frequenzraum definiert. Beispielsweise beschreibt die Frequenzfunktion vollständig eine zeitliche Veränderung einer Frequenz gemäß der jeweiligen mathematischen Funktion. Ferner können ein Anfangswert und ein Endwert für die Frequenz für jedes Zeitintervall [t(i), t(i+1)] gemäß der jeweiligen Frequenzfunktion bestimmt sein.The frequency function comprises a mathematical function that defines a time-dependent course in frequency space. For example, the frequency function completely describes a change in a frequency over time according to the respective mathematical function. Furthermore, an initial value and an end value for the frequency can be determined for each time interval [t(i), t(i+1)] according to the respective frequency function.
Die Frequenzfunktion kann einen oder mehrere mathematische Terme enthalten, der/die mindestens eines oder eine beliebige Kombination der Folgenden umfassen kann/können: Eine Konstante, ein Polynom beliebigen Grades, eine exponentielle Funktion, eine Gauß-Funktion, eine logarithmische Funktion und eine trigonometrische Funktion. Insbesondere kann die Frequenzfunktion einen konstanten Term enthalten, der dem Anfangswert (der Auswahlfrequenzen) entspricht. Der Endwert bei Ablauf des jeweiligen Zeitintervalls (d.h. bei t = t(i+1) für das Zeitintervall [t(i), t(i+1)]) kann, je nach Länge des Zeitintervalls und der jeweiligen Frequenzfunktion, eine beliebige Frequenz oder eine der vorgenannten mehreren diskreten Auswahlfrequenzen (wie nachstehend beschrieben) sein.The frequency function may include one or more mathematical terms, which may include at least one or any combination of the following: a constant, an arbitrary degree polynomial, an exponential function, a Gaussian function, a logarithmic function, and a trigonometric function . In particular, the frequency function may contain a constant term that corresponds to the initial value (of the selection frequencies). The final value at the end of the respective time interval (ie at t=t(i+1) for the time interval [t(i), t(i+1)]) can be any frequency, depending on the length of the time interval and the respective frequency function or one of the foregoing multiple discrete selection frequencies (as described below).
Die Frequenzfunktion können periodisch verändert werden. Beispielsweise wird die Frequenzfunktion periodisch für jedes Zeitintervall [t(i), t(i+1)] von aufeinander folgenden Zeitintervallen i = 1, 2, ..., Z neu festgelegt, wobei Z eine positive ganze Zahl ist und eine Länge des Zeitintervalls Δt = t(i+1) - t(i) konstant ist. Beispielsweise kann Δt 0,001 Sekunde bis 103 Sekunden betragen, beispielsweise 1 Sekunde bis 102 Sekunden, oder 2 bis 50 Sekunden. In konkreten Beispielen kann Δt 10 Sekunden, 20 Sekunden oder 30 Sekunden betragen oder geringfügig, um bis zu 5 Sekunden hiervon abweichen. Ferner kann Δt zeitlich veränderlich sein, sodass die zeitliche Länge eines jeden Zeitintervalls zeitlich variieren kann. Beispielsweise kann Δt zeitlich um einen Betrag von 000,1 Sekunde bis 103 Sekunden variieren. Insbesondere kann die Frequenzfunktion derart ausgestaltet sein, dass die Frequenzfunktion in jedem einzelnen Zeitintervall [t(i), t(i+1)] stetig und differenzierbar ist. Bei Übergang zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitintervallen [t(i), t(i+1)] und [t(i+i), t(i+2)] kann die Frequenzfunktion stetig und/oder differenzierbar, oder weder stetig noch differenzierbar sein.The frequency function can be changed periodically. For example, the frequency function is periodically redefined for each time interval [t(i), t(i+1)] of consecutive time intervals i = 1, 2, ..., Z, where Z is a positive integer and a length of the time interval Δt = t(i+1) - t(i) is constant. For example, Δt may be 0.001 second to 10 3 seconds, such as 1 second to 10 2 seconds, or 2 to 50 seconds. In specific examples, Δt may be 10 seconds, 20 seconds, or 30 seconds, or slightly different by up to 5 seconds. Furthermore, Δt can change over time, so that the time length of each time interval can vary over time. For example, Δt may vary in time by an amount from 000.1 seconds to 10 3 seconds. In particular, the frequency radio tion be designed in such a way that the frequency function is continuous and differentiable in each individual time interval [t(i), t(i+1)]. In the transition between two consecutive time intervals [t(i), t(i+1)] and [t(i+i), t(i+2)], the frequency function can be continuous and/or differentiable, or neither continuous nor differentiable being.
Folglich kann die Frequenzfunktion periodisch für jedes (je, pro) Zeitintervall [t(i), t(i+1)] verändert werden. Somit ist für jedes Zeitintervall [t(i), t(i+1)] eine mit i = 1, 2, ... , Z eine jeweilige Form der zeitveränderlichen Frequenzfunktion gültig. Der Einfachheit halber können die verschiedenen Formen der zeitlich veränderlichen Frequenzfunktion hierin als „mehrere Frequenzfunktionen“ bezeichnet werden. Die Frequenzfunktionen können eine jeweilige Gültigkeitsdauer aufweisen, die eine Zeitspanne bezeichnet, in welcher die jeweilige Frequenzfunktion auf die Trägerwelle angewendet wird. Die Gültigkeitsdauer der Frequenzfunktion kann das jeweilige Zeitintervall [t(i), t(i+1)] bezeichnen, in welchem die jeweilige Frequenzfunktion gültig ist.Consequently, the frequency function can be changed periodically for each (each, per) time interval [t(i), t(i+1)]. Thus, for each time interval [t(i), t(i+1)], a respective form of the time-varying frequency function with i = 1, 2, ..., Z is valid. For convenience, the various forms of the time-varying frequency function may be referred to herein as "multiple frequency functions". The frequency functions can have a respective validity period, which designates a period of time in which the respective frequency function is applied to the carrier wave. The period of validity of the frequency function can designate the respective time interval [t(i), t(i+1)] in which the respective frequency function is valid.
Die Frequenzfunktion kann in eine Parameterzeichenfolge übersetzt werden. Beispielsweise kann die Parameterzeichenfolge eine Zeichenfolge für die Definition einer Klasse der Frequenzfunktion (e.g. ein Polynom n-ten Grades, eine exponentielle, logarithmische oder trigonometrische Funktion), eine Zeichenfolge für einen konstanten Term (e.g. Null für die Zentralfrequenz, und eine ganze Zahl für eine entsprechende Abweichung um 1023 kHz von der Zentralfrequenz) und eine Zeichenabfolge für Koeffizienten der jeweiligen Klasse der Frequenzfunktion. Wie nachstehend erläutert, kann die Parameterzeichenfolge ferner eine Zeichenfolge für ein jeweiliges Modulationsverfahren (e.g. BPSK(n), BOC(n,m), altBOC(n,m), etc.) und/oder eine Zeichenfolge für einen Phasenversatz enthalten.The frequency function can be translated into a parameter string. For example, the parameter string can be a string defining a class of frequency function (eg an nth degree polynomial, exponential, logarithmic, or trigonometric function), a string for a constant term (eg zero for the center frequency, and an integer for a corresponding deviation of 1023 kHz from the central frequency) and a character sequence for coefficients of the respective class of the frequency function. As explained below, the parameter string may further include a string for a respective modulation scheme (e.g. BPSK(n), BOC(n,m), altBOC(n,m), etc.) and/or a string for a phase offset.
In den Beispielen, in welchen die Frequenzfunktion periodisch pro Zeitintervall [t(i), t(i+1)] verändert wird, kann die Parameterzeichenfolge entsprechend für das jeweilige Zeitintervall verändert werden. Demnach kann die Parameterzeichenfolge eine Gültigkeitsdauer aufweisen, in welcher sie gültig ist, i.e. zur Extraktion (der Wiedergewinnung, zum Abbilden) der Frequenzfunktion innerhalb derselben Gültigkeitsdauer verwendet werden kann.In the examples in which the frequency function is changed periodically per time interval [t(i), t(i+1)], the parameter string can be changed accordingly for the respective time interval. Thus, the parameter string may have a validity period in which it is valid, i.e. can be used to extract (recover, map) the frequency function within the same validity period.
Beispielsweise können mehrere Parameterzeichenfolgen unter Verwendung eines Zufallsgenerators erzeugt werden. Die Parameterzeichenfolgen können in einem Speicher eines Senders, insbesondere eines Satelliten, gespeichert sein. Die gespeicherten Parameterzeichenfolgen können beispielsweise mit Indizes versehen sein. Unter Verwendung eines weiteren Zufallsgenerators kann eine der mehreren gespeicherten Frequenzfunktionen jeweils für ein Zeitintervall ausgewählt und angewendet werden.For example, multiple parameter strings can be generated using a random number generator. The parameter strings can be stored in a memory of a transmitter, in particular a satellite. The stored parameter character strings can be provided with indexes, for example. Using a further random number generator, one of the several stored frequency functions can be selected and applied for each time interval.
Ein derartig bereitgestelltes Signal kann die folgende Form aufweisen:
In einigen Beispielen umfasst das Signal ferner eine Zeichenfolge einer Navigationsnachricht, so dass das Signal si einen weiteren Faktor D(t) für die bitweise Navigationsnachricht aufweisen kann. Demnach kann das Signal die folgende Form annehmen:
Dabei kann D(t) eine zeitabhängige binäre Funktion darstellen. Insbesondere gibt D(t) eine Bitfolge der Navigationsnachricht wieder. Alternativ kann die Funktion c(t) in der vorigen Gleichung stets eine Multiplikation der Navigationsnachricht-Datenbitfunktion D(t) mit dem Spreizcode darstellen. Hierdurch kann eine Frequenzspreizung der Navigationsnachricht durch den höherfrequenten Spreizcode gegeben sein.In this case, D(t) can represent a time-dependent binary function. In particular, D(t) represents a bit sequence of the navigation message. Alternatively, the function c(t) in the previous equation can always represent a multiplication of the navigation message data bit function D(t) by the spreading code. As a result, the navigation message can be spread by the higher-frequency spread code.
Gemäß einem Beispiel wird der Spreizcode gemäß einem Modulationsverfahren auf die Trägerwelle moduliert. Das Modulationsverfahren kann periodisch verändert werden. Insbesondere kann für zwei aufeinander folgende Zeitintervalle [t(i), t(i+1)] und [t(i+i), t(i+2)] verschiedene Modulationsverfahren für die Modulation des Spreizcodes auf die Trägerwelle angewendet werden. Auf diese Weise kann es einem Unbefugten noch weiter erschwert sein, den Spreizcode abzuschätzen, um die Navigationsnachricht zu imitieren. Somit kann der Schutz des GNSS-Dienstes vor einem Spoofing-Angriff oder SCER-Angriff weiter verbessert werden.According to one example, the spreading code is modulated onto the carrier wave according to a modulation method. The modulation method can be changed periodically. In particular, for two consecutive time intervals [t(i), t(i+1)] and [t(i+i), t(i+2)], different modulation methods can be used for the modulation of the spread code on the carrier wave. In this way, it can be even more difficult for an unauthorized person to estimate the spreading code in order to imitate the navigation message. Thus, the protection of the GNSS service against a spoofing attack or SCER attack can be further improved.
Ein derartig bereitgestelltes Signal kann die folgende Form aufweisen:
Ein Beispiel eines Modulationsverfahrens ist BPSK(n), wobei n insbesondere 0.1 bis 20 sein kann. Ein weiteres Beispiel des Modulationsverfahrens ist BOC(j, k), wobei j beispielsweise 0.1 bis 40, und k beispielsweise 0.1 bis 40 sein können. Insbesondere kann j 1, 5 oder 10 sein, während k 1, 2,5 oder 5 sein kann. Weitere Beispiele der Modulationsverfahren umfassen altBOC, CBOC und TMBOC jeweils mit geeigneten Parametern. Es können sowohl die Klasse des Modulationsverfahrens (BPSK, BOC, altBOC, etc.) und/oder die jeweiligen Parameter des Modulationsverfahrens periodisch verändert werden.An example of a modulation method is BPSK(n), where n can be 0.1 to 20 in particular. Another example of the modulation method is BOC(j,k), where j can be 0.1 to 40, for example, and k can be 0.1 to 40, for example. In particular, j can be 1, 5 or 10, while k can be 1, 2.5 or 5. Other examples of the modulation methods include altBOC, CBOC, and TMBOC, each with appropriate parameters. Both the class of the modulation method (BPSK, BOC, altBOC, etc.) and/or the respective parameters of the modulation method can be changed periodically.
Gemäß einem Beispiel des Verfahrens wird ferner ein Phasenversatz beim Modulieren des Spreizcodes auf die Trägerwelle eingefügt. Der Phasenversatz kann periodisch verändert werden. Insbesondere wird ein Chipphasenversatz in den Spreizcode bezüglich einer öffentlichen Chipphase eingeführt. Auf diese Weise kann es einem Unbefugten noch weiter erschwert sein, den Spreizcode abzuschätzen, um die Navigationsnachricht zu imitieren. Somit kann der Schutz des GNSS-Dienstes vor einem Spoofing-Angriff oder SCER-Angriff weiter verbessert werden.According to an example of the method, a phase offset is also introduced when modulating the spreading code onto the carrier wave. The phase shift can be changed periodically. In particular, a chip phase offset is introduced into the spreading code with respect to a public chip phase. In this way, it can be even more difficult for an unauthorized person to estimate the spreading code in order to imitate the navigation message. Thus, the protection of the GNSS service against a spoofing attack or SCER attack can be further improved.
Ohne genaue Kenntnisse über das jeweils verwendete Modulationsverfahren und/oder über den Chipphasenversatz ist die Schätzung für den Unbefugten erheblich erschwert. Somit steigen die technischen Anforderungen für einen erfolgreichen Spoofing-Angriff oder SCER-Angriff signifikant, was einen erfolgreichen Angriff unwahrscheinlicher macht. Vor allem erfordert ein erfolgreicher Angriff das Schätzen des Spreizcodes pro Auswahlfrequenzen pro diskreten Chip-Phasenversatz, pro Modulationsverfahren und pro Frequenzfunktionsverlauf (i.e. die zeitabhängige Veränderung im Frequenzraum als mathematische Funktion). Gemäß dem hierin beschriebenen Gegenstand steigt die Anzahl von zu schätzenden Auswahlfrequenzen, Modulationsverfahren und Chip-Phasen, die von einem potentiellen Angreifer gleichzeitig und parallel geschätzt werden müssen. Da richtige Schätzungen nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit erfolgen können, steigt die Rate der Fehldetektionen und somit die Wahrscheinlichkeit eines Scheiterns des Angriffes.Without precise knowledge of the modulation method used in each case and/or of the chip phase offset, it is considerably more difficult for the unauthorized person to estimate. Thus, the technical requirements for a successful spoofing attack or SCER attack increase significantly, making a successful attack less likely. Most importantly, a successful attack requires estimating the spreading code per selection frequency, per discrete chip phase offset, per modulation scheme, and per frequency function (i.e., the time-dependent change in frequency space as a mathematical function). In accordance with the subject matter described herein, the number of selection frequencies, modulation schemes and chip phases to be estimated that must be estimated simultaneously and in parallel by a potential attacker is increasing. Since correct estimates can only be made with a certain probability, the rate of false detections and thus the probability of the attack failing increases.
Ein derartig bereitgestelltes Signal kann die folgende Form aufweisen:
Der Phasenversatz bezieht sich auf einen Versatz der Phase des Spreizcodes gegenüber dem Spreizcode in einem Referenzsignal, zum Beispiel gegenüber einem öffentlichen Pilotkanal. Insbesondere hängt der Phasenversatz von dem jeweiligen Phasenmodulationsverfahren für das Zeitintervall ab. Beispielsweise ist der Phasenversatz äquivalent zu einem Produkt eines Faktors und der Phasenlänge des jeweiligen Phasenmodulationsverfahrens, wobei der Faktor eine beliebige Zahl zwischen 0,01 bis 1 sein kann. Hierin wird mit dem Begriff Phasenversatz, sofern nicht explizit anders angegeben, der Spreizcode-Phasenversatz wie vorstehend beschrieben bezeichnet.Phase offset refers to an offset in the phase of the spreading code from the spreading code in a reference signal, for example from a public pilot channel. In particular, the phase offset depends on the respective phase modulation method for the time interval. For example, the phase offset is equivalent to a product of a factor and the phase length of the respective phase modulation scheme, where the factor can be any number between 0.01 and 1. Herein, the term phase offset, unless explicitly stated otherwise, refers to the spreading code phase offset as described above.
Hierin kann sich der Begriff Kanal auf eine bestimmte GNSS-Signalkomponente gegebenenfalls mit der zugehörigen Kodierung beziehen. Verschiedene Kanäle, d.h. mehrere GNSS-Signalkomponenten, können gleichzeitig oder zeitlich verschoben voneinander verwendet werden. Die Kanäle können in einem gemeinsamen Frequenzspektrum und/oder zumindest teilweise in separaten Frequenzspektren vorhanden sein. Beispielsweise kann ein Sender einen Datenkanal und einen Pilotkanal aufweisen. In dem Pilotkanal kann der Spreizcode ohne Phasenversatz und ohne aufmodulierte Navigationsnachricht auf die Trägerwelle moduliert sein. In dem Datenkanal kann der Spreizcode gemäß der Frequenzfunktion, mit oder ohne Phasenversatz, und mit oder ohne das veränderliche Phasenmodulationsverfahren, auf die Navigationsnachricht moduliert sein. Ferner kann der Sender einen Authentifizierungskanal aufweisen, über welchen Informationen zur Authentifizierung der Navigationsnachricht und/oder des Spreizcodes übertragen werden.As used herein, the term channel may refer to a particular GNSS signal component with its associated encoding, if any. Different channels, ie multiple GNSS signal components, can be used simultaneously or at different times. The channels can be present in a common frequency spectrum and/or at least partially in separate frequency spectrums. For example, a transmitter can have a data channel and a pilot channel. In the pilot channel the spreading code can be modulated onto the carrier wave without a phase offset and without a navigation message being modulated on. In the data channel the spreading code can be modulated onto the navigation message according to the frequency function, with or without phase offset, and with or without the variable phase modulation method. Furthermore, the transmitter can have an authentication channel via which information for authenticating the navigation message and/or the spread code is transmitted.
Gemäß einem Beispiel wird ferner der Spreizcode mit einer Verschlüsselungschipfolge überlagert, um einen verschlüsselten Spreizcode zu erhalten. Der verschlüsselte Spreizcode kann auf die Trägerwelle moduliert werden. Die Verschlüsselungschipfolge kann eine beliebige, zufällige oder pseudozufällige Chipfolge sein, die insbesondere die gleiche Länge (d.h. Anzahl der Chips) wie der Spreizcode aufweisen kann. Das Überlagern des Spreizcodes mit der Verschlüsselungschipfolge kann durch eine Multiplikation oder durch eine Addition, mittels einer jeweils geeigneten Schaltung, erfolgen.According to an example, the spreading code is further overlaid with an encryption chip sequence to obtain an encrypted spreading code. The encrypted spreading code can be modulated onto the carrier wave. The encryption chip sequence can be any random or pseudo-random chip sequence, which in particular can have the same length (i.e. number of chips) as the spreading code. The spreading code can be overlaid with the encryption chip sequence by means of a multiplication or an addition, using a suitable circuit in each case.
Üblicherweise ist der jeweilige Spreizcode für jeden Satelliten eines GNSS bekannt. Durch die Überlagerung des Spreizcodes mit der Verschlüsselungschipfolge bleibt der Spreizcode unbekannt für den Empfänger also ohne Kenntnis der Verschlüsselungschipfolge. Die Verschlüsselungschipfolge kann gemäß einem kryptographischen Verfahren generiert und festgelegt sein und nur einem autorisierten und/oder lizensierenden Empfängerkreis zur Verfügung gestellt werden. Dies kann ähnlich zu einem SCE-Verfahren (Spreading Code Encryption) erfolgen, wie es bei regulierten GNSS-Diensten zum Einsatz kommt.The respective spread code for each satellite of a GNSS is usually known. By overlaying the spreading code with the encryption chip sequence, the spreading code remains unknown to the receiver, ie without knowledge of the encryption chip sequence. The encryption chip sequence can be generated and defined according to a cryptographic method and only made available to an authorized and/or licensing group of recipients. This can be done in a similar way to an SCE method (Spreading Code Encryption) as is used in regulated GNSS services.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verschlüsselungschipfolge verwendet werden, um zumindest einen Teil des Pilotkanals, zumindest einen Teil des Datenkanals und/oder den Spreizkode des Authentifizierungskanals eines öffentlichen GNSS-Dienstes zu verschlüsseln. Diese kann ähnlich zu einem SCA-Verfahren (Spreading Code Authentication) erfolgen, wie es für den Einsatz bei manchen öffentlichen GNSS-Diensten wie beispielsweise dem Galileo-System geplant ist. Die Verschlüsselungschipfolge kann in einen oder mehrere von dem Pilotkanal, dem Datenkanal und dem Authentifizierungskanal, jeweils gegebenenfalls wiederum verschlüsselt, eingeführt und ausgesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verschlüsselungschipfolge über einen gesonderten Kanal oder einen gesonderten GNSS-Dienst (e.g. in einem gesonderten Frequenzband) übertragen werden, der vollständig oder teilweise verschlüsselt ist. Die Verschlüsselungschipfolge kann ferner mit einer Zeitverzögerung, insbesondere nach Aussendung der Navigationsnachricht und/oder des verschlüsselten Teils des Signals, übermittelt werden. Beispielsweise kann die Verschlüsselungschipfolge zusammen mit einem (Authentifizierungs-)Schlüssel für die Navigationsnachrichtenauthentifizierung übermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Information über einen sicheren zweiten Kommunikationskanal wie beispielsweise über das Internet oder ein irdisches Funknetzwerk wie LTE, 5G, WiFi, usw. übermittelt werden.Alternatively or additionally, the encryption chip sequence can be used to encrypt at least part of the pilot channel, at least part of the data channel and/or the spreading code of the authentication channel of a public GNSS service. This can be done in a similar way to an SCA method (Spreading Code Authentication), as is planned for use in some public GNSS services such as the Galileo system. The encryption chip sequence may be injected and transmitted in one or more of the pilot channel, the data channel and the authentication channel, each optionally encrypted in turn. Alternatively or additionally, the encryption chip sequence may be transmitted over a separate channel or GNSS service (e.g. in a separate frequency band) that is fully or partially encrypted. Furthermore, the encryption chip sequence can be transmitted with a time delay, in particular after the transmission of the navigation message and/or the encrypted part of the signal. For example, the encryption chip sequence can be transmitted together with an (authentication) key for navigation message authentication. Additionally or alternatively, the information can be transmitted via a secure second communication channel such as the Internet or a terrestrial wireless network such as LTE, 5G, WiFi, etc.
Durch die Verschlüsselung des Spreizcodes mit der Verschlüsselungschipfolge wird es einem Unbefugten noch weiter erschwert, den Spreizcode abzuschätzen, um das GNSS-Signal zu imitieren. Somit kann der Schutz des GNSS-Dienstes vor einem Spoofing-Angriff oder SCER-Angriff weiter verbessert werden.Encrypting the spreading code with the encryption chip sequence makes it even more difficult for an unauthorized person to estimate the spreading code in order to impersonate the GNSS signal. Thus, the protection of the GNSS service against a spoofing attack or SCER attack can be further improved.
In Kombination mit der vorstehend beschriebenen Frequenzfunktion kann die Verschlüsslung des Spreizcodes somit auf einen breiteren Frequenzbereich ausgeweitet werden. Der verschlüsselte Spreizcode kann demnach periodisch auf die zeitlich veränderliche Trägerfrequenz moduliert werden, was eine Schätzung des Spreizcodes erheblich erschweren kann.In combination with the frequency function described above, the encryption of the spread code can thus be extended to a broader frequency range. Accordingly, the encrypted spread code can be periodically modulated onto the time-varying carrier frequency, which can make estimating the spread code considerably more difficult.
Gemäß einem Beispiel bewirkt die Anwendung der Frequenzfunktion auf die Trägerwelle, dass sich die Trägerfrequenz innerhalb eines Frequenzbandes verändert. Insbesondere kann das Frequenzband für jeden Sender und/oder den jeweiligen GNSS-Dienst festgelegt sein. Der Frequenzbereich, in welchem die Trägerfrequenz veränderlich ist, kann eine Breite äquivalent zu einem Produkt eines Faktors und des Grundtaktes eines Satelliten aufweisen, wobei der Faktor beispielsweise 0,01 bis 104 betragen kann und der Grundtakt eines Satelliten 1,023 MHz betragen kann. Dieser Frequenzbereich kann ferner mit der vorgenannten Breite um eine Zentralfrequenz liegen, wobei die Zentralfrequenz bei 0.1 bis 100 GHz, insbesondere bei 1 GHz bis 2 GHz, liegen kann. Beispielsweise ist die Trägerfrequenz, gemäß der Frequenzfunktion, veränderlich innerhalb eines Frequenzbereichs von 1575,42 GHz ± (20 • 1,023 MHz), wobei 1575,42 GHz die Zentralfrequenz darstellt und der vorgenannte Faktor 20 beträgt.According to one example, applying the frequency function to the carrier wave causes the carrier frequency to vary within a frequency band. In particular, the frequency band can be specified for each transmitter and/or the respective GNSS service. The frequency range in which the carrier frequency is variable can have a width equivalent to a product of a factor and the fundamental clock of a satellite, where the factor can be, for example, 0.01 to 10 4 and the fundamental clock of a satellite can be 1.023 MHz. This frequency range can also be with the aforementioned breadth around a central frequency, in which case the central frequency can be from 0.1 to 100 GHz, in particular from 1 GHz to 2 GHz. For example, according to the frequency function, the carrier frequency is variable within a frequency range of 1575.42 GHz ± (20 • 1.023 MHz), where 1575.42 GHz is the center frequency and the aforesaid factor is 20.
In manchen Beispielen kann die Trägerfrequenz kontinuierlich innerhalb des genannten Frequenzbandes variieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Frequenzband gleichmäßig oder unregelmäßig unterteilt sein, sodass mehrere diskrete Auswahlfrequenzen für die Trägerfrequenz erhalten werden. Die Anzahl solcher Auswahlfrequenzen kann mindestens 2 sein und nach oben allgemein unbegrenzt. In konkreten Beispielen kann die Anzahl 2 bis 105, insbesondere 2 bis 104, oder 4 bis 103 betragen. Die Auswahlfrequenzen können im Frequenzraum um einen Abstand von 102 Hz bis 108 Hz voneinander beabstandet sein.In some examples, the carrier frequency may vary continuously within the stated frequency band. Alternatively or additionally, the frequency band can be subdivided evenly or irregularly, so that a number of discrete selection frequencies are obtained for the carrier frequency. The number of such selection frequencies can be at least 2 and generally unlimited above. In specific cases play, the number can be 2 to 10 5 , in particular 2 to 10 4 , or 4 to 10 3 . The selection frequencies may be spaced apart in frequency space by a distance of 10 2 Hz to 10 8 Hz.
Gemäß einem Beispiel werden mehrere diskrete Auswahlfrequenzen bereitgestellt. Eine der mehreren diskreten Auswahlfrequenzen kann als die Trägerfrequenz der Trägerwelle jeweils für ein Zeitintervall [t(i), t(i+1)] ausgewählt und angewendet werden. Somit kann die Trägerfrequenz periodisch zwischen den mehreren Auswahlfrequenzen variieren. Die Auswahlfrequenzen können wie vorstehend beschrieben bereitgestellt sein.According to one example, multiple discrete selection frequencies are provided. One of the plurality of discrete selection frequencies can be selected and applied as the carrier frequency of the carrier wave for a time interval [t(i), t(i+1)], respectively. Thus, the carrier frequency can vary periodically between the multiple selection frequencies. The selection frequencies can be provided as described above.
Gemäß einem Beispiel wird ein GNSS-Signal si in einem Zeitintervall t e [t(i), t(i+1)] in der folgenden Form bereitgestellt und ausgesendet:
Die mathematische Multiplikation der Verschlüsselungsfunktion wi(t) mit dem Spreizcode c(t) in der obigen Formel kann eine Anwendung der vorstehend diskutierten Verschlüsselungschips auf den Spreizcode umfassen. Demnach kann die Verschlüsselungsfunktion wi(t) eine Komponente enthalten, die der der Verschlüsselungschips entspricht, welche fest definiert sein kann wie beispielsweise bei einem SCE-Verfahren oder SCA-Verfahren.The mathematical multiplication of the encryption function w i (t) by the spreading code c(t) in the above formula may involve applying the encryption chips discussed above to the spreading code. Accordingly, the encryption function w i (t) can contain a component that corresponds to that of the encryption chips, which can be firmly defined, such as in an SCE method or SCA method.
Gemäß einem Beispiel umfasst die Verschlüsselungsfunktion wi(t) oder wi(t, Φi) ferner einen Chip-Phasenversatz Δφi beim Modulieren des Spreizcodes auf die Trägerwelle. Der Phasenversatz kann wie vorstehend diskutiert implementiert sein. Insbesondere kann der Phasenversatz zwischen diskreten Phasenversatz-Schritten, beispielsweise zwischen 0.01 bis 1 mal die Phasenlänger eines bestimmten Modulationsverfahrens, variieren. Ferner kann der Phasenversatz periodisch geändert werden. Beispielweise wird der Phasenversatz in jedem Zeitintervall verändert. Demnach kann die Verschlüsselungsfunktion von dem jeweiligen Phasenmodulationsverfahren, dargestellt durch Φi, für das jeweilige Zeitintervall und/oder von einem Spreizcode-Phasenversatz Δφi wie vorstehend beschrieben abhängig sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Spreizcode gemäß dem Spreizcode-Phasenversatz Δφi ausgestaltet sein. Das resultierende Signal kann wie folgt aussehen:
Alternativ oder zusätzlich kann das Phasenmodulationsverfahren Φi wie vorstehend beschrieben periodisch verändert werden. In diesen Beispielen kann die Verschlüsselungsfunktion wi eine weitere Variable umfassen, die von dem für das jeweilige Zeitintervall [t(i), t(i+1)] geltende Phasenmodulationsverfahren abhängt.Alternatively or additionally, the phase modulation method Φ i can be changed periodically as described above. In these examples, the encryption function w i can comprise a further variable which depends on the phase modulation method applicable for the respective time interval [t(i), t(i+1)].
Der periodisch veränderliche Spreizcode-Phasenversatz sowie periodisch veränderliches Modulationsverfahren des Spreizcodes können die Schätzung des Spreizcodes und somit die Imitierung eines GNSS-Signals weiterhin erschweren und somit zur Steigerung des Schutzes vor Angriffen beitragen.The periodically variable spread code phase offset and periodically variable modulation method of the spread code can further complicate the estimation of the spread code and thus the imitation of a GNSS signal and thus contribute to increasing protection against attacks.
Gemäß einem Beispiel wird die mit dem Spreizcode, Verschlüsselungsfunktion und Frequenzfunktion modulierte Trägerwelle ausgesendet. Danach wird eine Parameterzeichenfolge zur Extraktion der Frequenzfunktion und Verschlüsselungsfunktion ausgesendet. Beispielsweise wird die Parameterzeichenfolge nach dem Abschluss des Aussendens der mit dem Spreizcode, Verschlüsselungsfunktion und Frequenzfunktion modulierten Trägerwelle initiiert. Das Aussenden der Parameterzeichenfolge erfolgt beispielsweise erst nach einem vollständigen Aussenden des GNSS-Signals unter Verschlüsselungsfunktion und Frequenzfunktion und gegebenenfalls einschließlich eines Authentifizierungscodes für die Navigationsnachricht. Somit kann die Parameterzeichenfolge mit einer Zeitverzögerung gegenüber der Navigationsnachricht übermittelt werden. Die Zeitverzögerung kann 1 Millisekunde bis 300 Sekunden, insbesondere 1 bis 10 Sekunden, oder 10 bis 30 Sekunden betragen.According to an example, the carrier wave modulated with the spreading code, scrambling function and frequency function is transmitted. After that, a parameter string is sent out for frequency function extraction and scrambling function. For example, the parameter string is initiated upon completion of transmission of the carrier wave modulated with the spreading code, scrambling function, and frequency function. The transmission of the parameter character string takes place, for example, only after a complete transmission of the GNSS signal using the encryption function and frequency function and possibly including an authentication code for the navigation message. Thus, the parameter character string can be transmitted with a time delay compared to the navigation message. The time delay can be 1 millisecond to 300 seconds, in particular 1 to 10 seconds, or 10 to 30 seconds.
Die Parameterzeichenfolge kann in einen Datenkanal und/oder einen Pilotkanal des GNSS eingeführt und ausgesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Parameterzeichenfolge über einen gesonderten Kanal übertragen werden, der vollständig oder teilweise verschlüsselt ist. Die Parameterzeichenfolge kann mit oder in der Navigationsnachricht übermittelt werden, beispielsweise zusammen mit einem Authentifizierungsschlüssel für ein Navigationsnachrichtauthentifizierungsverfahren, wie nachstehend erläutert. Zusätzlich oder alternativ kann die Parameterzeichenfolge über einen sicheren zweiten Kommunikationskanal (wie beispielsweise über das Internet oder ein irdisches Funknetzwerk wie LTE, 5G, WiFi, etc.) übermittelt werden.The parameter string can be introduced and transmitted in a data channel and/or a pilot channel of the GNSS. Alternatively or additionally, the parameter string may be transmitted over a separate channel that is fully or partially encrypted. The parameter string can be transmitted with or in the navigation message, for example together with an authentication key for a navigation message authentication method, as explained below. Additionally or alternatively, the parameter string can be transmitted via a secure second communication channel (such as via the Internet or a terrestrial wireless network such as LTE, 5G, WiFi, etc.).
Die Parameterzeichenfolge kann periodisch übermittelt werden. Beispielsweise kann die Parameterzeichenfolge einmal pro Zeitintervall [t(i); t(i+i)], in welchem die Parameterzeichenfolge gültig ist, übermittelt werden. Insbesondere kann die Parameterzeichenfolge in einem hinteren Zeitabschnitt eines jeden Zeitintervalls, beispielsweise in einem Teilintervall [t(i) + p*Δt, t(i+i)] des Zeitintervalls [t(i), t(i+i)] übermittelt werden, wobei der Faktor p 0,4 bis 0,99, insbesondere 0,45 bis 0,9 betragen kann. Vorzugsweise wird die Parameterzeichenfolge erst gegen Ende einer Zeitspanne, in welcher die zugehörige Frequenzfunktion zu der jeweiligen Parameterzeichenfolge auf die Trägerwelle angewendet wird, ausgesendet, um die Frequenzfunktion wirksam zu verbergen.The parameter string can be sent periodically. For example, once per time interval [t(i); t(i+i)] in which the parameter string is valid. In particular, the parameter character string can be transmitted in a subsequent time section of each time interval, for example in a sub-interval [t(i)+p*Δt, t(i+i)] of the time interval [t(i), t(i+i)]. , where the factor p can be 0.4 to 0.99, in particular 0.45 to 0.9. Preferably, the parameter character string is not transmitted until towards the end of a period of time in which the associated frequency function for the respective parameter character string is applied to the carrier wave, in order to effectively conceal the frequency function.
Alternativ oder zusätzlich kann die Parameterzeichenfolge in mehrere Abschnitte unterteilt und in bestimmten Zeitabständen übermittelt werden. Vorzugsweise wird die Parameterzeichenfolge erst gegen Ende einer Zeitspanne, in welcher die zugehörige Frequenzfunktion zu der jeweiligen Parameterzeichenfolge auf die Trägerwelle angewendet wird, vollständig ausgesendet, um die Frequenzfunktion wirksam zu verbergen.Alternatively or additionally, the parameter character string can be divided into several sections and transmitted at specific time intervals. Preferably, the parameter character string is not fully transmitted until towards the end of a period of time in which the associated frequency function for the respective parameter character string is applied to the carrier wave, in order to effectively hide the frequency function.
Gemäß einem Beispiel wird eine Navigationsnachricht bereitgestellt. Die Navigationsnachricht wird zusammen mit dem Spreizcode auf die Trägerwelle aufmoduliert. Hierin kann der Begriff Navigationsnachricht auch allgemein eine Nachricht bezeichnen, die über ein GNSS-Signal übertragen wird. Die Navigationsnachricht kann insbesondere eine oder mehrere Bitfolgen aufweisen, die Informationen über eine Position (Ephemeriden) und/oder aktuelle Zeit eines zugehörigen Satelliten enthalten. Insbesondere kann die Nachricht eine Information über einen Fehler der zugehörigen Satellitenuhr enthalten. Beispielsweise kann die Nachricht eine Bitrate von 50 und 250 Bit pro Sekunde (bps) aufweisen. In einem spezifischen Beispiel kann die Nachricht gemäß Ei-B/NAV des Galileo kodiert sein.According to one example, a navigation message is provided. The navigation message is modulated onto the carrier wave together with the spreading code. Herein the term navigation message can also denote in general a message that is transmitted via a GNSS signal. In particular, the navigation message can have one or more bit sequences that contain information about a position (ephemeris) and/or the current time of an associated satellite. In particular, the message can contain information about an error in the associated satellite clock. For example, the message may have a bit rate of 50 and 250 bits per second (bps). In a specific example, the message may be encoded according to Galileo's Ei-B/NAV.
Somit kann ein GNSS-Signal mindestens drei Komponenten aufweisen: eine Navigationsnachricht, einen Spreizcode und eine Trägerwelle. Wie vorstehend erläutert, kann die Navigationsnachricht mit einem Spreizcode multipliziert sein, wobei die Bitrate der Navigationsnachricht etwa 1 bis 3000 Hz, insbesondere 50 bis 250 Hz, und die Chip-Rate des Spreizcodes 105 Hz bis 1012 Hz, insbesondere 106 Hz bis 107 Hz betragen können. Damit erfolgt eine Spreizung des Frequenzbandes zur Übertragung der Navigationsnachricht. Ferner kann hierdurch der Pegel (Empfangsleistung) des empfangenen Signals unter das Niveau des thermischen Rauschens sinken, sodass die Navigationsnachricht (nur) durch die Anwendung des Spreizcodes zurückgewonnen werden kann. Dies ermöglicht, dass mehrere Sender oder Satelliten in demselben Frequenzband operieren können, während die gegenseitige Störung und Interferenzen überschaubar bleiben.Thus, a GNSS signal can have at least three components: a navigation message, a spreading code, and a carrier wave. As explained above, the navigation message can be multiplied by a spreading code, the bit rate of the navigation message being about 1 to 3000 Hz, in particular 50 to 250 Hz, and the chip rate of the spreading code being 10 5 Hz to 10 12 Hz, in particular 10 6 Hz to 10 can be 7 Hz. This spreads the frequency band for transmission of the navigation message. Furthermore, this can cause the level (received power) of the received signal to fall below the thermal noise level, so that the navigation message can be recovered (only) by the application of the spreading code. This allows multiple transmitters or satellites to operate in the same frequency band while maintaining manageable mutual disruption and interference.
Die Navigationsnachricht, überlagert mit dem Spreizkode, kann zur Bestimmung einer Distanz zwischen dem zugehörigen Sender und einem Empfänger verwendet werden. Ausgehend von der empfangenen Navigationsnachricht von einem einzelnen Sender kann eine so genannte Pseudorange bestimmt werden, wobei einige Ungenauigkeitsfaktoren wie ein Laufzeitfehler oder ein Uhrfehler des Senders und/oder des Empfängers zunächst unberücksichtigt bleiben. Nach Empfang von Navigationsnachrichten von mehreren (beispielsweise vier) Sendern kann der jeweilige Laufzeit- und Uhrfehler kompensiert und eine genaue Position ermittelt werden. Die Navigationsnachricht kann ferner zur Bestimmung von Geschwindigkeit und eines Uhrfehlers auf des Empfängers verwendet werden. Wie vorhin erläutert, wird hierin der Begriff Sender allgemein für alle Sendervorrichtungen einschließlich Satelliten und Pseudoliten verwendet, die am GNSS als Sender teilnehmen können. Ferner wird der Begriff Empfänger allgemein für alle Empfangsvorrichtungen, einschließlich Benutzerendgeräte und irdische Navigationseinrichtungen, verwendet, die als Empfänger am GNSS teilnehmen können.The navigation message superimposed with the spreading code can be used to determine a distance between the associated transmitter and a receiver. Based on the navigation message received from a single transmitter, a so-called pseudo range can be determined, with some inaccuracy factors such as a delay time error or a clock error of the transmitter and/or the receiver initially being disregarded. After receiving navigation messages from several (e.g. four) transmitters, the respective runtime and clock error can be compensated and an exact position can be determined. The navigation message can also be used to determine the recipient's speed and clock error. As previously explained, the term transmitter is used herein generically for all transmitter devices, including satellites and pseudolites, that can participate in the GNSS as transmitters. Furthermore, the term receiver is used generically for all receiving devices, including user terminals and terrestrial navigation devices, that can participate as receivers in the GNSS.
Die Energie (Intensität, Empfangsleistung) eines empfangenen Signals wird beispielsweise für eine gewisse Zeitspanne aufaddiert (aufsummiert, aufintegriert). Die Zeitspanne für die Integration kann beispielsweise einer (zeitlichen) Länge eines Bits der Nachricht entsprechen. Je nach Länge und der Bitrate der Navigationsnachricht kann die Integrationsdauer des Signals 0.1 ms bis 5000 ms, insbesondere 4 ms bis 20 ms betragen. Das Ergebnis der Aufsummierung kann zur Detektion und Spektralanalyse des Signals verwendet werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Korrelationsanalyse des empfangenen Signals mit einem Signal aus dem Pilotkanal, bei dem der Spreizcode auf die Trägerwelle ohne die Navigationsnachricht moduliert ist, durchgeführt werden. Aus der Korrelationsanalyse kann ferner ein Vorzeichen der Navigationsnachricht bestimmt werden.The energy (intensity, received power) of a received signal is added up (added up, integrated) for a certain period of time, for example. The time span for the integration can correspond, for example, to a (temporal) length of a bit of the message. Depending on the length and the bit rate of the navigation message, the integration period of the signal can be 0.1 ms to 5000 ms, in particular 4 ms to 20 ms. The summation result can be used for detection and spectral analysis of the signal. For this purpose, for example, a correlation analysis of the received signal with a signal from the pilot channel, in which the spreading code on the carrier wave without the navigation message is modulated can be performed. A sign of the navigation message can also be determined from the correlation analysis.
Gemäß einem Beispiel wird ferner ein Authentifizierungsschlüssel auf die Navigationsnachricht angewendet, um einen Authentifizierungscode zu erhalten. Der Authentifizierungscode kann ein MAC-Code sein oder einem MAC-Code entsprechen, wie er gemäß dem branchenüblichen Sprachgebrauch auf dem Gebiet des GNSS verwendet wird. Der Authentifizierungscode kann zusätzlich zu oder anstatt der Navigationsnachricht ausgesendet werden. Der zugehörige Authentifizierungsschlüssel wird beispielsweise erst nach dem vollständigen Aussenden des Authentifizierungscodes ausgesendet. Zusätzlich oder alternativ kann der Authentifizierungsschlüssel in mehrere Teilabschnitte gestückelt und in bestimmten Zeitabständen ausgesendet werden. In Beispielen, in welchen der Authentifizierungscode zusätzlich zu der Navigationsnachricht ausgesendet wird, kann die Authentifizierungscode vor, mit, nach der Navigationsnachricht ausgesendet werden. Der Authentifizierungscode kann über den Datenkanal und/oder den Authentifizierungskanal übermittelt werden.According to one example, an authentication key is also applied to the navigation message to obtain an authentication code. The authentication code may be a MAC code or may correspond to a MAC code as is commonly used in the industry in the GNSS field. The authentication code can be sent in addition to or instead of the navigation message. The associated authentication key is only sent out, for example, after the authentication code has been sent out in full. In addition or as an alternative, the authentication key can be broken down into a number of sections and sent out at specific time intervals. In examples where the authentication code is sent in addition to the navigation message, the authentication code may be sent before, with, after the navigation message. The authentication code can be transmitted via the data channel and/or the authentication channel.
Der Authentifizierungsschlüssel kann eine zufällige oder quasizufällige Zeichenfolge, insbesondere Bitfolge, sein. Der Authentifizierungscode, der einer Überlagerung der Navigationsnachricht mit dem Authentifizierungsschlüssel entspricht, kann ferner als eine verschlüsselte Navigationsnachricht verstanden werden. Somit kann der Inhalt der Navigationsnachricht unbekannt bleiben, bis der Authentifizierungsschlüssel vorliegt. Diese Prozesse können ähnlich zu einem Navigationsnachrichtauthentifizierungsverfahren (NMA) erfolgen.The authentication key can be a random or quasi-random character string, in particular a bit sequence. The authentication code, which corresponds to an overlay of the navigation message with the authentication key, can also be understood as an encrypted navigation message. Thus the content of the navigation message can remain unknown until the authentication key is present. These processes may be similar to a navigation message authentication (NMA) process.
Beispielsweise wird eine Kette von Authentifizierungsschlüsseln unter Verwendung einer One-Way-Hashfunktion erzeugt. Ausgehend von einem privaten Schlüssel, der zufällig oder kryptographisch generiert sein kann, kann die One-Way-Hashfunktion wiederholt auf den jeweils vorhergehenden Schlüssel angewendet werden, um die Kette von Authentifizierungsschlüsseln zu erhalten. Die One-Way-Hashfunktion kann eine mathematische Transformation bezeichnen, die leicht zu berechnen, aber schwer bis praktisch unmöglich zu invertieren ist. Die so erhaltenen Authentifizierungsschlüssel der Kette kann in umgekehrter Reihenfolge zu der Reihenfolge der Erzeugung auf aufeinander folgende Navigationsnachrichten angewendet werden. Somit kann es einfach sein, ausgehend von einem aktuell gültigen Authentifizierungsschlüssel einen vorigen Authentifizierungsschlüssel zu berechnen und so die Authentizität des erhaltenen Schlüssels zu verifizieren, während es quasi unmöglich ist, den nächsten Authentifizierungsschlüssel zu ermitteln. Auf diese Weise kann auf die Authentizität der Navigationsnachricht überprüft werden.For example, a chain of authentication keys is generated using a one-way hash function. Starting with a private key, which can be randomly or cryptographically generated, the one-way hash function can be applied repeatedly to the previous key to obtain the chain of authentication keys. The one-way hash function can denote a mathematical transformation that is easy to compute but difficult to virtually impossible to invert. The chain's authentication keys thus obtained can be applied to successive navigation messages in reverse order to the order of generation. It can thus be easy to calculate a previous authentication key based on a currently valid authentication key and thus to verify the authenticity of the key obtained, while it is virtually impossible to determine the next authentication key. In this way, the authenticity of the navigation message can be checked.
In Kombination mit der hierin beschriebenen Frequenzfunktion kann die Anwendung der Navigationsnachrichtauthentifizierung bewirken, dass der Schutz vor Spoofing- wie SCER-Angriffen sowohl auf der Spreizcode-Ebene als auch auf der Navigationsnachricht-Ebene erhöht ist. Somit können mögliche Lücken zur Umgehung der jeweiligen einzelnen Schutzwirkung vorsorglich geschlossen werden.In combination with the frequency function described herein, the use of navigation message authentication can result in increased protection against spoofing such as SCER attacks at both the spreading code level and the navigation message level. In this way, possible gaps in circumventing the respective individual protective effect can be closed as a precautionary measure.
Gemäß einem Beispiel wird die Parameterzeichenfolge zur Extraktion der Frequenzfunktion über einen Kommunikationskanal außerhalb des GNSS ausgesendet. Ein solcher Kommunikationskanal außerhalb des GNSS kann insbesondere das kabelgebundene Internet oder sonstige irdische Datennetzwerke wie beispielsweise WiFi, LTE, 5G, usw. umfassen.In one example, the frequency function extraction parameter string is broadcast over a communication channel external to the GNSS. Such a communication channel outside of the GNSS can in particular include the wired Internet or other terrestrial data networks such as WiFi, LTE, 5G, etc.
Alternativ oder zusätzlich kann die Parameterzeichenfolge über einen Datenkanal eines öffentlichen GNSS-Dienstes ausgesendet werden, wobei die Parameterzeichenfolge mit einer Übersendungszeichenfolge überlagert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Parameterzeichenfolge in einem verschlüsselten Teil des Pilotkanals ausgesendet werden. Die Übersendungszeichenfolge kann insbesondere eine Chipfolge sein, die derart ausgestaltet ist, dass das Frequenzspektrum (Frequenzband) zur Übertragung der Parameterzeichenfolge gespreizt wird und dadurch die Empfangsleitung unter den Pegel eines üblichen thermischen Rauschens liegen kann. Somit kann die Parameterzeichenfolge erst durch die Anwendung der Übersendungszeichenfolge aus dem Rauschen herausgefiltert werden.Alternatively or additionally, the parameter string may be broadcast over a data channel of a public GNSS service, with the parameter string being overlaid with a broadcast string. Alternatively or additionally, the parameter string can be sent out in an encrypted part of the pilot channel. In particular, the transmission character sequence can be a chip sequence which is designed in such a way that the frequency spectrum (frequency band) for transmission of the parameter character sequence is spread and as a result the receiving line can be below the level of normal thermal noise. Thus, the parameter string can only be filtered out of the noise by applying the transmission string.
Auf diese Weise kann eine sichere Übermittelung der Parameterzeichenfolge gewährleistet sein. Insbesondere kann somit die Information über die Frequenzfunktion auf eine sichere Art und Weise übermittelt werden.In this way, a secure transmission of the parameter character string can be guaranteed. In particular, the information about the frequency function can thus be transmitted in a secure manner.
Gemäß einem Beispiel wird ein GNSS-Signal empfangen, wobei das GNSS-Signal auf der Trägerwelle übermittelt wird, der Spreizcode auf die Trägerwelle moduliert ist, und die Frequenzfunktion auf die Trägerwelle angewendet ist. Das empfangene GNSS-Signal wird für eine Zeitspanne äquivalent zu einer Gültigkeitsdauer der Frequenzfunktion gespeichert. Anhand der Parameterzeichenfolge wird die Frequenzfunktion abgebildet. Unter Verwendung der abgebildeten Frequenzfunktion kann nun der Spreizcode abgebildet werden. Diese Verfahrensschritte werden empfängerseitig durchgeführt.According to one example, a GNSS signal is received, where the GNSS signal is carried on the carrier wave, the spreading code is modulated onto the carrier wave, and the frequency function is applied to the carrier wave. The received GNSS signal becomes valid for a period of time equivalent to a duration of the frequency function is saved. The frequency function is mapped using the parameter string. The spreading code can now be mapped using the mapped frequency function. These method steps are carried out at the receiver end.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren sind der Spreizcode und die Trägerwelle, und gegebenenfalls die Navigationsnachricht zunächst unbekannt. Deshalb wird das empfangene GNSS-Signals zunächst gespeichert, um die anschließende empfangene Parameterzeichenfolge darauf anzuwenden und so Informationen aus dem GNSS-Signal zurückzugewinnen.According to the method described above, the spread code and the carrier wave, and possibly the navigation message, are initially unknown. Therefore, the received GNSS signal is first stored in order to apply the subsequently received parameter string to it, thus recovering information from the GNSS signal.
Beispielsweise wird das empfangene GNSS-Signal für jedes Zeitintervall [t(i), t(i+1)] gespeichert. Die Parameterzeichenfolge kann parallel zu und gleichzeitig mit der Signalkomponente mit der Navigationsnachricht (verschlüsselt oder nicht verschlüsselt), beispielsweise über einen separaten Kanal, übermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Parameterzeichenfolge im Anschluss an die Signalkomponente mit der Navigationsnachricht übermittelt werden.For example, the received GNSS signal is stored for each time interval [t(i), t(i+1)]. The parameter string can be transmitted in parallel with and simultaneously with the signal component with the navigation message (encrypted or not), for example via a separate channel. Additionally or alternatively, the parameter character string can be transmitted with the navigation message following the signal component.
In weiteren Beispielen wird die Parameterzeichenfolge in mehreren separaten Abschnitten innerhalb eines Zeitintervalls ausgesendet. Demnach können sich die Nachricht-Zeitspanne und die Parameter-Zeitspanne überlappen oder abwechseln.In other examples, the parameter string is sent out in several separate chunks within a time interval. Thus, the message period and the parameter period may overlap or alternate.
Beim Empfangen eines GNSS-Signals kann eine Doppler-Verschiebung der Frequenz der Trägerwelle zu berücksichtigen sein, da sich der Sender und der Empfänger, in einer relativen Bewegung zueinander befinden. Des Weiteren kann beim Empfangen des GNSS-Signals die Trägerfrequenz auf eine Zwischenfrequenz herunter moduliert werden, um die technischen Anforderungen empfängerseitig zu reduzieren. Ferner kann ein empfängerseitiger Phasenversatz der Trägerwelle ermittelt und eliminiert werden. Gegebenenfalls kann ein Frequenz-Offset vorhanden sein, welches bei der Verarbeitung des GNSS-Signals ebenso berücksichtigt werden kann. Ferner kann das thermische Rauschen aus dem GNSS-Signal zu eliminieren sein.When receiving a GNSS signal, a Doppler shift in the frequency of the carrier wave may have to be considered since the transmitter and receiver are in relative motion. Furthermore, when receiving the GNSS signal, the carrier frequency can be modulated down to an intermediate frequency in order to reduce the technical requirements at the receiver end. Furthermore, a receiver-side phase offset of the carrier wave can be determined and eliminated. If necessary, a frequency offset can be present, which can also be taken into account when processing the GNSS signal. Furthermore, the thermal noise from the GNSS signal may have to be eliminated.
Insbesondere kann das Empfangen des GNSS-Signals mit einer bestimmten Abtastrate erfolgen. Demnach kann das empfangene Signal die folgende Form haben:
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Verwendung in einem GNSS offenbart, wobei die Vorrichtung zur Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens oder jeglicher Beispiele und Abwandlungen desselben eingerichtet ist.According to a further aspect, an apparatus for use in a GNSS is disclosed, the apparatus being arranged to carry out the method described herein or any examples and modifications thereof.
Die Vorrichtung kann insbesondere ein Sender (wie vorstehend diskutiert) sein, einen Sender umfassen oder Teil eines Senders sein. Beispielsweise ist die Vorrichtung ein Satellit oder ein Pseudolit. Die Vorrichtung kann in einen Satelliten oder Pseudoliten integriert sein. Die Vorrichtung kann eine Sendereinrichtung wie beispielsweise eine Parabolantenne, Phased-Array-Antenne oder eine sonstige Antenne aufweisen, um Signale auszusenden. Die Vorrichtung kann eine Prozessoreinrichtung umfassen, um die hierin beschriebenen Verfahrensschritte und Operationen auszuführen. Ferner kann die Vorrichtung einen Speicher aufweisen, um die Anweisungen zur Ausführung durch die Prozessoreinrichtung und gegebenenfalls einen privaten Schlüssel, eine Kette von Authentifizierungsschlüsseln, die Parameterzeichenfolge, usw. zu speichern oder zwischenzuspeichern. Weiterhin kann die Vorrichtung Signalgeneratoren jeweils für die Trägerwelle und den Spreizcode, und gegebenenfalls für die Navigationsnachricht aufweisen. Ferner kann die Vorrichtungen elektrische Schaltungen zur Ausführung der hierin beschriebenen Verfahrensschritte und Operationen aufweisen.In particular, the device may be a transmitter (as discussed above), comprise a transmitter, or be part of a transmitter. For example, the device is a satellite or a pseudolite. The device can be integrated into a satellite or pseudolite. The device can have a transmitter device such as a parabolic antenna, phased array antenna or other antenna in order to transmit signals. The apparatus may include processor means to perform the method steps and operations described herein. Furthermore, the device may have a memory to store or cache the instructions for execution by the processor means and optionally a private key, a chain of authentication keys, the parameter string, etc. Furthermore, the device can have signal generators for the carrier wave and the spread code, and optionally for the navigation message. Furthermore, the devices can have electrical circuits for carrying out the method steps and operations described herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Empfängervorrichtung eines GNSS-Systems offenbart, die eingerichtet ist, ein GNSS-Signal zu empfangen. Das GNSS-Signal wird auf der Trägerwelle übermittelt, wobei der Spreizcode auf die Trägerwelle moduliert ist, und die Frequenzfunktion auf die Trägerwelle angewendet ist. Die Empfängervorrichtung ist ferner eingerichtet, das empfangene GNSS-Signal für eine Zeitspanne äquivalent zu einer Gültigkeitsdauer der Frequenzfunktion zu speichern. Die Empfängervorrichtung ist eingerichtet, die Frequenzfunktion anhand der Parameterzeichenfolge abzubilden (zu extrahieren, wiederherzustellen). Die Empfängervorrichtung ist eingerichtet, den Spreizcode unter Verwendung der abgebildeten Frequenzfunktion abzubilden (zu extrahieren, wiederherzustellen).According to a further aspect, a receiver device of a GNSS system is disclosed, which is configured to receive a GNSS signal. The GNSS signal is transmitted on the carrier wave with the spreading code modulated onto the carrier wave and the frequency function applied to the carrier wave. The receiver device is further configured to store the received GNSS signal for a period of time equivalent to a period of validity of the frequency function. The receiver device is configured to map (extract, restore) the frequency function using the parameter string. The receiver device is arranged to map (extract, recover) the spreading code using the mapped frequency function.
Der hierin beschriebene Gegenstand und seine Beispiele bewirken, dass es einem Unbefugten erschwert wird, das GNSS-Signal, insbesondere dessen Spreizcode, zu schätzen und zu imitieren. Ferner kann eine autonome Spreizcode-Authentifizierung bereitgestellt werden, die unabhängig von externen Kommunikationskanälen sein kann. Des Weiteren bleiben die technischen Anforderungen zur Implementierung des hierin beschriebenen Gegenstands gering im Verhältnis zu dem erhöhten Schutz. Ferner ermöglicht der beanspruchte Gegenstand eine effizientere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche.The subject matter described herein and its examples have the effect of making it difficult for an unauthorized person to estimate and imitate the GNSS signal, in particular its spreading code. Furthermore, an autonomous spreading code authentication can be provided, which can be independent of external communication channels. Furthermore, the technical requirements for implementing the subject matter described herein remain low in relation to the increased protection. Furthermore, the claimed subject matter enables more efficient use of the available frequency ranges.
Figurenlistecharacter list
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1 veranschaulicht schematisch ein GNSS gemäß einem Beispiel.1 FIG. 12 schematically illustrates a GNSS according to an example. -
2 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltung gemäß einem Beispiel.2 12 is a schematic circuit diagram of a circuit according to an example. -
3 veranschaulicht schematisch zeitabhängige Verläufe in einem Frequenzraum gemäß einigen Beispielen.3 FIG. 12 schematically illustrates time-dependent curves in a frequency space according to some examples. -
4 veranschaulicht schematisch gesendete Signale in einem zeitabhängigen Diagramm gemäß einem Beispiel.4 schematically illustrates transmitted signals in a time-dependent diagram according to an example. -
5 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel.5 12 is a schematic circuit diagram of a circuit according to another example. -
6 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel.6 12 is a schematic circuit diagram of a circuit according to another example. -
7 veranschaulicht schematisch periodisch veränderten Chip-Phasenversatz und periodisch verändertes Phasenmodulationsverfahren gemäß einem Beispiel.7 12 schematically illustrates periodically changing chip phase offset and periodically changing phase modulation method according to an example. -
8 zeigt schematisch und beispielhaft spektrale Leistungsdiagramme eines breitbandigen Spreizcode-Authentifizierungsverfahrens und von verschiedenen Phasenmodulationsverfahren.8th shows schematically and by way of example spectral power diagrams of a broadband spreading code authentication method and of various phase modulation methods.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche oder zumindest ähnliche, analoge oder übertragbare Merkmale zu kennzeichnen.Exemplary embodiments are described below in conjunction with the drawings. The same reference symbols are used to identify the same or at least similar, analogous or transferrable features.
Auf diese Weise stellen die Satelliten 12-18 einen GNSS-Dienst bereit, der öffentlich, d.h. ohne Zugriffsbeschränkung, oder reguliert/militärisch, d.h. unzugänglich für die Öffentlichkeit durch Verschlüsselung, sein kann. Je nach Art des GNSS-Dienstes können zumindest die Struktur des GNSS-Signals (d.h. Kodierung), die zu übertragenden Informationen und das Frequenzband, das für den jeweiligen GNSS-Dienst verwendet wird, variieren.In this manner, satellites 12-18 provide a GNSS service that may be public, i.e., without access restrictions, or regulated/military, i.e., inaccessible to the public through encryption. Depending on the type of GNSS service, at least the structure of the GNSS signal (i.e. coding), the information to be transmitted and the frequency band used for the respective GNSS service can vary.
Ein Empfänger 20, der sich auf der Erde, auf dem Meer, in der Luft oder im Weltraum befinden kann, weist eine Empfängervorrichtung auf, um die GNSS-Signale zu empfangen, wie durch die gestrichelten Linien 22 schematisch dargestellt. Insbesondere kann sich der Empfänger 20 in einer Bewegung relativ zu den Satelliten befinden, beispielsweise als Navigationsgerät in einem fahrenden Fahrzeug.A
Ferner kann ein Unbefugter 30, im Folgenden vereinfachend als Angreifer 30 bezeichnet, die von den Satelliten 12-18 ausgesendeten GNSS-Signale empfangen, wie durch die gestrichelten Linien 32 veranschaulicht. Beispielsweise verfügt auch der Angreifer 30 über eine Empfängervorrichtung.Furthermore, an
Wie vorstehend beschrieben, kann der Angreifer 30 einen ersten Teil eines herkömmlichen GNSS-Signal empfangen und analysieren, und den restlichen Teil desselben GNSS-Signals schätzen (erraten). Hierzu kann sich der Angreifer 30 insbesondere zunutze machen, dass ein Großteil der technischen Informationen über das GNSS-Signal frei verfügbar sind, wie beispielsweise die Trägerfrequenz der Trägerwelle, der Spreizcode des jeweiligen Satelliten 12-18, die Struktur des GNSS-Signals, den Orbit und die Geschwindigkeit des jeweiligen Satelliten (zur Kompensierung von Doppler-Effekten). Bei GNSS-Diensten mit unbekannten Spreizcodes können weitere Informationen über das GNSS-Signal etwa mithilfe einer Spektralanalyse gewonnen werden, wie beispielsweise das für die Modulation des Spreizcodes verwendete Modulationsverfahren, die Anzahl der Chips des Spreizcodes, die Länge eines Chips, usw.As described above, the
Basierend auf den geschätzten und bekannten Informationen über das GNSS-Signal kann der Angreifer 30 beispielsweise versuchen, ein GNSS-Signal willkürlich zu manipulieren (im Folgenden vereinfachend als „imitieren“ bezeichnet) und dem Empfänger 20 das imitierte GNSS-Signal zu übermitteln, wie durch gestrichelte Linie 34 veranschaulicht. Hierzu kann der Angreifer 30 beispielsweise einen Signalgenerator verwenden, um nach Belieben Positionen, Bewegungen und/oder Zeitpunkte eines oder mehrerer Satelliten 12-18 zu imitieren. Ferner kann der Angreifer 30 eine leistungsstarke Sendervorrichtung verwenden, um das imitierte GNSS-Signale mit einer hohen Sendeleistung auszusenden. Ein derartiger Angriff kann allgemein als ein Spoofing-Angriff bezeichnet werden.For example, based on the estimated and known information about the GNSS signal, the
Darüber hinaus kann der Angreifer einen SCER-Angriff wie vorstehend beschrieben vornehmen. Demnach schätzt der Angreifer 30 eine Navigationsnachricht bitweise, und/oder den Spreizcode Chip für Chip in Echtzeit. In einem konkreten Beispiel kann der Angreifer 30, der das GNSS-Signal empfängt (32 in
Wie in
Ein SCER -Angriff kann in zwei Stufen unterteilt werden, wobei in einer ersten Stufe die Bits der Nachricht des GNSS-Signals, und in einer zweiten Stufe der Spreizcode in Echtzeit geschätzt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Rate der Bits (in der Größenordnung von 1 bis 3000 Hz) und Chips (in der Größenordnung von 105 bis 1012 Hz) kann die Bit-Schätzung leichter zu realisieren sein als die Chip-Schätzung. Nämlich kann ein Bit eine typische zeitliche Länge in der Größenordnung von Millisekunden aufweisen, während ein Chip eine zeitliche Länge in der Größenordnung von Mikrosekunden aufweisen kann.A SCER attack can be divided into two stages, with the bits of the message of the GNSS signal being estimated in a first stage and the spreading code being estimated in a second stage in real time. Due to the different rate of bits (on the order of 1 to 3000 Hz) and chips (on the order of 10 5 to 10 12 Hz), bit estimation can be easier to implement than chip estimation. Namely, a bit may have a typical length of time on the order of milliseconds, while a chip may have a length of time on the order of microseconds.
Die Schaltung 100 weist einen Trägerwelle-Signalgenerator 110 auf, der eine Trägerwelle mit einer Trägerfrequenz fT erzeugt. Der Trägerwelle-Signalgenerator 110 kann eingerichtet sein, die Trägerwelle mit einer konstanten Trägerfrequenz fT zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der Trägerwelle-Signalgenerator 110 eingerichtet sein, die Trägerfrequenz fT zeitlich zu verändern. Beispielsweise kann der Trägerwelle-Signalgenerator 110 eingerichtet sein, mehrere Auswahlfrequenzen bereitzustellen, und die Trägerwelle mit einer der Auswahlfrequenzen als Trägerfrequenz zu erzeugen.The
Somit kann der Trägerwelle-Signalgenerator 110 die Trägerwelle als ein Ausgangssignal bereitstellen. Die von dem Trägerwelle-Signalgenerator 110 erzeugte Trägerwelle kann wie folgt dargestellt werden:
Die Trägerfrequenz fT kann einer Zentralfrequenz fz eines Frequenzband des jeweiligen GNSS-Dienstes entsprechen. Beispielsweise beträgt die Zentralfrequenz fz 1176,45 MHz, 1191,795 MHz, 1227,60 MHz, 1278,75 MHz oder 1575,42 MHz. Ferner können mehrere Auswahlfrequenzen innerhalb eines Frequenzbandes um die Zentralfrequenz fz und um regelmäßige Abstände von der Zentralfrequenz fz voneinander beabstandet bereitgestellt sein. Beispielsweise weist das Frequenzspektrum (Frequenzband) eine Breite auf, die äquivalent zu einem ganzzahligen Vielfachen des Grundtaktes des Satelliten ist, wobei der Grundtakt des Satelliten beispielsweise 1,023 MHz beträgt. Die Abstände zwischen den Auswahlfrequenzen können durch eine ganzzahlige Teilung des Frequenzbandes erfolgen.The carrier frequency f T can correspond to a central frequency fz of a frequency band of the respective GNSS service. For example, the center frequency fz is 1176.45 MHz, 1191.795 MHz, 1227.60 MHz, 1278.75 MHz or 1575.42 MHz. Furthermore, a plurality of selection frequencies can be provided within a frequency band spaced from the central frequency fz and by regular intervals from the central frequency fz. For example, the frequency spectrum (frequency band) has a width equivalent to an integer multiple of the satellite's fundamental clock, for example, the satellite's fundamental clock being 1.023 MHz. The intervals between the selection frequencies can be achieved by dividing the frequency band by integers.
Die Schaltung 100 weist ferner einen Spreizcode-Signalgenerator 120 auf. Der Spreizcode-Signalgenerator 120 erzeugt eine Folge von Modulationszuständen, eine Chipfolge, gemäß einem Spreizcode, der für den jeweiligen Satelliten einzigartig und daher kennzeichnend ist. Der Spreizcode-Signalgenerator 120 kann fest zu diesem Zweck programmiert sein (wie beispielsweise unter Verwendung eines Schieberegisters), oder den Spreizcode aus einem Speicher (nicht gezeigt) abrufen. Vereinfachend wird die Chipfolge, die von dem Spreizcode-Signalgenerator 120 erzeugt wird, als den Spreizcode c(t) bezeichnet.The
Wie in
Die Schaltung 100 weist einen Frequenzfunktionsgenerator 130 auf. Der Frequenzfunktionsgenerator 130 ist eingerichtet, eine Frequenzfunktion fi(t) jeweils für ein Zeitintervall [t(i), (i+1)] zu erzeugen. Die Frequenzfunktion fi(t) gibt einen zeitlichen Verlauf in einem Frequenzraum vor. Die Wellenform der Frequenzfunktion fi(t) kann mit cos(2π fi(t)t) dargestellt werden.The
Beispielsweise empfängt der Frequenzfunktionsgenerator 130 Anweisungen zur Erzeugung der Frequenzfunktion von einer Steuereinheit 150, die eine Klasse, einen Anfangswert, alle Koeffizienten, usw. der jeweiligen Frequenzfunktion fi(t) vorgeben kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Frequenzfunktionsgenerator 130 mit einem Speicher (nicht gezeigt) verbunden sein, um auf eine dort gespeicherte Auswahl von Frequenzfunktionen zuzugreifen und eine Frequenzfunktion fi(t) für das jeweilige Zeitintervall auszuwählen. Die von dem Frequenzfunktionsgenerator 130 erzeugte Frequenzfunktion wird dem Modulator 140 zugeführt, wie durch einen Pfeil 132 in
Die Schaltung 100 kann ferner die Steuereinheit 150 aufweisen, die den Frequenzfunktionsgenerator 130 steuert. Insbesondere kann die Steuereinheit 150 die durch den Frequenzfunktionsgenerator 130 für ein jeweiliges Zeitintervall [t(i), t(i+1)] zu erzeugende Frequenzfunktion vorgeben, einschließlich der Klasse, Anfangswert und Koeffizienten. Die Steuereinheit 150 kann eine Prozessoreinrichtung aufweisen, um Operationen und Anweisungen zur Steuerung des Frequenzfunktionsgenerators 130 und somit zur Generierung der Frequenzfunktion fi(t) auszuführen.The
In weiteren Beispielen kann die Schaltung 100 ferner eine Kommunikationseinheit aufweisen (nicht gezeigt), um Anweisungen hinsichtlich der Generierung der Frequenzfunktion fi(t) von einem Administrator des Satelliten zu erhalten, der sich beispielsweise in einer Zentrale auf der Erde befindet. Die Kommunikationseinheit kann insbesondere mit der Steuereinheit 150 verbunden sein, um sie von der Erde aus anzusteuern.In further examples, the
Der Modulator 140 ist eingerichtet, die Frequenzfunktion fi(t) auf die Trägerwelle anzuwenden. Somit verändert sich die Trägerfrequenz fT der Trägerwelle zeitlich wie durch die Frequenzfunktion fi(t) definiert. Insbesondere ist die Frequenzfunktion fi(t) derart ausgestaltet, dass die Trägerfrequenz fT periodisch nach einer bestimmten Zeitspanne Δt verändert wird, wobei Δt = [t(i), t(i+1)] und i eine ganze Zahl ist.The
Der Modulator 140 ist ferner eingerichtet, den Spreizcode auf die Trägerwelle zu modulieren. Somit erzeugt der Modulator 140 ein Signal, bei dem die Frequenzfunktion fi(t) auf die Trägerwelle angewendet und der Spreizcode auf die Trägerwelle moduliert ist. Das Signal wird von dem Modulator 140 als Ergebnis ausgegeben, wie durch einen Pfeil 142 veranschaulicht. Dieses Signal 142 kann einer Sendervorrichtung zugeführt und ausgesendet werden.The
In
In
Die horizontale Achse des Diagramms in
Gemäß dem hierin beschriebenen Gegenstand kann die Zentralfrequenz fz beliebig gewählt sein. Für bestimmte GNSS-Dienste kann die Zentralfrequenz fz (in der Literatur manchmal auch Mittenfrequenz genannt) gemäß einem standardmäßigen Frequenzband des jeweiligen GNSS (e.g. Galileo, GPS, Glonass, Beidou, usw.) festgelegt sein. Beispielsweise kann die Zentralfrequenz fz 1575,42 MHz für das Ei-Frequenzband des Galileo-GNSS (und auch L1-Frequenzband des GPS-GNSS), 1278,75 MHz für das E6-Frequenzband des Galileo-GNSS, 1191,795 für das E5- Frequenzband des Galileo-GNSS, 1176.45 MHz für das E5a-Frequenzband Galileo-GNSS (und L5-Frequenzband des GPS-GNSS), 1207,14 MHz für das E5b-Frequenzband des Galileo-GNSS oder 1227,6 MHz für das L2-Frequenzband des GPS-GNSS sein.According to the subject matter described herein, the center frequency fz can be chosen arbitrarily. For certain GNSS services, the center frequency fz (sometimes also called center frequency in the literature) can be fixed according to a standard frequency band of the respective GNSS (eg Galileo, GPS, Glonass, Beidou, etc.). For example, the center frequency fz can be 1575.42 MHz for the Galileo GNSS Ei frequency band (and also L1 GPS GNSS frequency band), 1278.75 MHz for the Galileo GNSS E6 frequency band, 1191.795 for the E 5- frequency band of the Galileo GNSS, 1176.45 MHz for the e-5 a frequency band of the Galileo GNSS (5 L and frequency band of the GPS GNSS), 1207.14 MHz for the E5b-frequency band of the Galileo GNSS or 1227.6 MHz for the L2 frequency band of the GPS GNSS.
Die Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 können bestimmt sein, indem ein Abstand Δf zwischen den benachbarten Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 und der Zentralfrequenz fz sowie eine Anzahl der Auswahlfrequenzen festgelegt werden. In dem in
Alternativ oder zusätzlich können die Auswahlfrequenzen bestimmt sein, indem die Bandbreite F des jeweiligen Frequenzbereiches zusammen mit der Anzahl der Auswahlfrequenzen festgelegt wird. In dem in
Im Beispiel der
Der zeitliche Verlauf in dem Zeitintervall [t(i), t(i+1)] im Frequenzraum ist beispielsweise linear und konstant. Demnach bleibt die Trägerfrequenz fT(i) konstant bei der Auswahlfrequenz f-1, die einer Differenz fz - Δf entspricht. Dementsprechend kann die Frequenzfunktion fi(t) einen einzelnen konstanten Term aufweisen und durch fi(t) = f-1 dargestellt werden.The course over time in the time interval [t(i), t(i+1)] in the frequency domain is, for example, linear and constant. Accordingly, the carrier frequency f T (i) remains constant at the selection frequency f -1 , which corresponds to a difference fz - Δf. Accordingly, the frequency function f i (t) can have a single constant term and be represented by f i (t) = f -1 .
Der zeitliche Verlauf in dem Zeitintervall [t(i+1), t(i+2)] ist beispielsweise linear und beginnt bei der Auswahlfrequenz f+2, die einer Addition fz + 2Δf entspricht. Demnach ändert sich die Trägerfrequenz fT(i+1) linear von der Auswahlfrequenz f+2 zu der Auswahlfrequenz f-2, die einer Subtraktion fZ - 2Δf entspricht. Dementsprechend kann die Frequenzfunktion fi+1(t) durch fi+1(t) = c1t + co dargestellt werden, wobei co und c1 Koeffizienten einer linearen Gleichung sind mit co = f+2 und c1 = (f-2 - f+2)/Δt.The course over time in the time interval [t(i+1), t(i+2)] is linear, for example, and begins at the selection frequency f+2 , which corresponds to an addition fz+2Δf. Accordingly, the carrier frequency f T(i+1) changes linearly from the selection frequency f +2 to the selection frequency f −2 , which corresponds to a subtraction f Z −2Δf. Accordingly, the frequency function f i+1 (t) can be represented by f i+1 (t) = c 1 t + c o , where c o and c 1 are coefficients of a linear equation with c o = f +2 and c 1 = (f -2 - f +2 )/Δt.
Der zeitliche Verlauf in dem Zeitintervall [t(i+2), t(i+3)] ist beispielsweise parabelförmig, d.h. Polynom zweiten Grades. Demnach ändert sich die die Trägerfrequenz fT(i+2) beginnend von der Auswahlfrequenz f+1, die einer Addition fz + Δf entspricht, entlang einer Parabel zu der Auswahlfrequenz f+2. Dementsprechend kann die Frequenzfunktion fi+2(t) durch fi+2(t) = c2t2 + c1t + co dargestellt werden, wobei co, c1 und c2 Koeffizienten eines Polynoms zweiten Grades sind mit co = f+1. c1 kann eine beliebige Zahl sein und c2 kann eine beliebige positive Zahl sein. Es sei angemerkt, dass der Kurvenverlauf in
Der zeitliche Verlauf in dem Zeitintervall [t(i+3), t(i+4)] ist beispielsweise exponentiell. Demnach ändert sich die die Trägerfrequenz fT(i+3) beginnend von der Auswahlfrequenz f-3, die einer Subtraktion fZ - 3Δf entspricht, entlang einer exponentiellen Kurve zu der Zentralfrequenz fz. Beispielsweise kann die Frequenzfunktion fi+3(t) durch fi+3(t) = c2 exp(c1t) + co dargestellt werden, wobei co, c1 und c2 jeweilige Koeffizienten sind mit co = f-3. c1 und c2 können beliebige positive Zahlen sein. Im Exponent kann ein anders Polynom anstatt einer linearen Gleichung stehen und seinerseits einen konstanten Term aufweisen. Es sei angemerkt, dass der Kurvenverlauf in
Der zeitliche Verlauf in dem Zeitintervall [t(i+4), t(i+5)] ist beispielsweise linear. Demnach ändert sich die die Trägerfrequenz fT(i+4) beginnend von der Auswahlfrequenz f+3 gemäß einer linearen Steigung. Die Frequenzfunktion fi+4(t) kann beispielsweise durch fi+4(t) = c1t + co dargestellt werden, wobei co = f+3 und c1 eine beliebige negative Zahlen ist. Insbesondere ist der Wert am Ende des Zeitintervalls [t(i+4), t(i+5)] nicht eine der Auswahlfrequenzen. Dies kann auch für andere Klassen von mathematischen Funktionen gelten.The course over time in the time interval [t(i+4), t(i+5)] is linear, for example. Accordingly, the carrier frequency f T(i+4) changes, starting from the selection frequency f +3, according to a linear slope. For example, the frequency function f i+4 (t) can be represented by f i+4 (t) = c 1 t + c o where c o = f +3 and c 1 is any negative number. In particular, the value at the end of the time interval [t(i+4), t(i+5)] is not one of the selection frequencies. This can also apply to other classes of mathematical functions.
In den obigen Beispielen wurde der Anfangswert stets durch einen konstanten Term der Frequenzfunktion definiert. Wie vorstehend diskutiert, kann alternativ dazu der jeweilige konstante Term in der Frequenzfunktion wegfallen. Stattdessen kann die Trägerfrequenz selbst pro Zeitintervall unterschiedlich bereitgestellt sein. Dies kann beispielsweise durch den Trägerwelle-Signalgenerator 110 oder durch eine Zusatzeinheit (nicht gezeigt) erfolgen, die die Trägerwelle modifizieren kann.In the examples above, the initial value was always defined by a constant term of the frequency function. Alternatively, as discussed above, the respective constant term in the frequency function may be omitted. Instead, the carrier frequency itself can be provided differently per time interval. This can be done, for example, by the carrier
In manchen Beispielen bestimmt die Frequenzfunktion fi(t) bestimmt eine der Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 als den Anfangswert für ein jeweiliges Zeitintervall [t(i), t(i+i)]. Der Anfangswert kann wie vorstehend erläutert in Form eines kontanten (zeitunabhängigen) mathematischen Terms in der Frequenzfunktion angegeben sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Trägerwelle-Signalgenerator 110 eine der Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 als die Trägerfrequenz fT auswählen und erzeugt die Trägerwelle dementsprechend.In some examples, the frequency function f i (t) determines one of the selection frequencies f -3 to f +3 as the initial value for a respective time interval [t(i), t(i+i)]. The initial value may be given in the form of a constant (time-independent) mathematical term in the frequency function, as explained above. Alternatively or additionally, the carrier
Die Beispiele zeigen, dass der zeitliche Verlauf der Trägerfrequenz periodisch geändert werden kann. Es ist zu beachten, dass die in
Die zeitlichen Verläufe gemäß dem hierin beschriebenen Gegenstand müssen nicht zwingend bei einer der Auswahlfrequenzen beginnen, d.h. der Anfangswert für ein einzelnes Zeitintervall kann beliebig und außerhalb der Auswahlfrequenzen gewählt sein. Beispielsweise kann anhand eines konstanten Terms ein beliebiger Startwert bestimmt sein, der innerhalb des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes liegt.The time courses according to the subject matter described here do not necessarily have to start at one of the selection frequencies, i.e. the initial value for a single time interval can be chosen arbitrarily and outside of the selection frequencies. For example, any starting value that lies within the available frequency band can be determined using a constant term.
Das GNSS-Signal 210 gemäß einem Beispiel weist eine erste Signalkomponente 212 und eine zweite Signalkomponente 214 auf. Die erste Signalkomponente 212 kann einem Pilotkanal (zum Teil verschlüsselt), Authentifizierungskanal oder Datenkanal entsprechen oder auf einem Datenkanal übertragen werden. Die zweite Signalkomponente 214 kann ein Datenkanal, der separat von dem vorgenannten Datenkanal ist und/oder ein Authentifizierungskanal sein oder über solchen übertragen werden. In weiteren Beispielen kann die zweite Signalkomponente 214 mit der ersten Signalkomponente 212 in dem Datenkanal überlagert sein.The GNSS signal 210 according to an example has a
In weiteren Beispielen kann die zweite Signalkomponente 214 über einen separaten, externen Kommunikationskanal außerhalb satellitengestützten Signalübertragung übertragen werden. Der externe Kommunikationskanal kann eine kabelgebundene Netzwerkverbindung, ein kabelloses Netzwerkverbindung oder sonstige Funkverbindungen umfassen, wie beispielsweise das Internet, LTE, Wifi, 5G, usw.In other examples, the
Sofern nichts anderes explizit angegeben, können die Begriffe Datenkanal, Pilotkanal und Authentifizierungskanal wie hierin verwendet gemäß dem branchenüblichen Sprachengebrauch auf dem Gebiet des GNSS bestimmt sein. Insbesondere kann ein Datenkanal im Allgemeinen einen Kanal für ein Radiosignal des GNSS bezeichnen, über den die Navigationsnachricht übertragen wird.Unless explicitly stated otherwise, the terms data channel, pilot channel, and authentication channel as used herein may be defined according to industry-standard language usage in the field of GNSS. In particular, a data channel can generally denote a channel for a radio signal of the GNSS over which the navigation message is transmitted.
Wie vorstehend beschrieben werden eine Navigationsnachricht, der Spreizcode und eine Frequenzfunktion auf die Trägerwelle moduliert. Die jeweilige Modulation kann einzeln oder in Kombination erfolgen. Der Inhalt der Navigationsnachricht ist wie vorstehend beschrieben und umfasst insbesondere Positionsdaten (Ephemeriden) und eine jeweilige Uhrzeit des Satelliten und wird regelmäßig aktualisiert. Die Frequenzfunktion verändert sich für jedes Zeitintervall [t(i), t(i+1)] und ist somit gültig für das jeweilige Zeitintervall. Das Zeitintervall, mit dem die Frequenzfunktion verändert wird, ist unabhängig von einer Aktualisierungsperiode der Navigationsnachricht oder kann an diese gekoppelt sein.As described above, a navigation message, the spreading code and a frequency function are modulated onto the carrier wave. The respective modulation can be done individually or in combination. The content of the navigation message is as described above and includes in particular position data (ephemeris) and a respective time of the satellite and is updated regularly. The frequency function changes for each time interval [t(i), t(i+1)] and is therefore valid for the respective time interval. The time interval at which the frequency function is changed is independent of or may be linked to an update period of the navigation message.
Die Navigationsnachricht kann verschlüsselt sein. Dies kann unter Verwendung eines NMA-Verfahrens erfolgen. Beispielsweise kann ein Nachrichtauthentifizierungscode, kurz MAC-Code (message authentication code), durch Anwendung eines Authentifizierungsschlüssels auf die Navigationsnachricht erzeugt sein. Der MAC-Code kann zusätzlich oder alternativ zu der Navigationsnachricht ausgesendet werden. In manchen Beispielen kann eine Kette von Authentifizierungsschlüsseln erzeugt werden, beispielweise unter Verwendung einer One-Way-Hashfunktion. Die Authentifizierungsschlüssel einer derartigen Kette können in einer umgekehrten Reihenfolge zu ihrer Erzeugung nacheinander auf die Navigationsnachricht angewendet werden, um diese zu verschlüsseln. In solchen Beispielen kann der MAC-Code zusätzlich zu oder anstatt der Navigationsnachricht ausgesendet werden.The navigation message can be encrypted. This can be done using an NMA method. For example, a message authentication code, or MAC code for short, can be generated by applying an authentication key to the navigation message. The MAC code can be sent in addition or as an alternative to the navigation message. In some examples, a chain of authentication keys can be generated, for example using a one-way hash function. The authentication keys of such a chain can be sequentially applied to the navigation message in a reverse order to their generation in order to encrypt it. In such examples, the MAC code may be broadcast in addition to or instead of the navigation message.
Die erste Signalkomponente 212 kann ein Signal darstellen, das sich aus der Modulation der Navigationsnachricht (und/oder einen MAC-Code), des Spreizcodes und der Frequenzfunktion auf die Trägerwelle ergibt. Somit kann die erste Signalkomponente 212 einen verschlüsselten Teil des GNSS-Signals übertragen. In
Die zweite Signalkomponente 214 überträgt Informationen zur Authentifizierung und/oder Entschlüsselung der ersten Signalkomponente 212. Die vorstehend erläuterte Parameterzeichenfolge zur Rückgewinnung (Extraktion, Abbildung) der Frequenzfunktion kann über die zweite Signalkomponente 214 ausgesendet werden. Zusätzlich zu der Parameterzeichenfolge kann der Authentifizierungsschlüssel für die Entschlüsselung des MAC-Codes ausgesendet werden. Somit kann die zweite Signalkomponente 214 einen entschlüsselnden und/oder authentifizierenden Teil des GNSS-Signals übertragen.The
Wie in
Das GNSS-Signal 220 gemäß einem weiteren Beispiel weist eine erste Signalkomponente 222 und eine zweite Signalkomponente 224 auf. Die Signalkomponenten 222, 224 des GNSS-Signals 220 werden in einem gemeinsamen Kanal, insbesondere in einem Datenkanal, übertragen. In diesem Beispiel wird die erste Signalkomponente 222, die den verschlüsselten Teil des GNSS-Signals überträgt, und die zweite Signalkomponente 224, die den entschlüsselnden und/oder authentifizierenden Teil des GNSS-Signals überträgt, abwechselnd ausgesendet. Dementsprechend wird die Aussendung der ersten Signalkomponente 222 unterbrochen, um die zweite Signalkomponente 224 auszusenden. Insbesondere wird die erste Signalkomponente 222 in einem ersten, anfänglichen Abschnitt eines jeweiligen Zeitintervalls ausgesendet. Die zweite Signalkomponenten 224 wird in einem zweiten Abschnitt, insbesondere gen Ende, eines jeweiligen Zeitintervalls ausgesendet.The GNSS signal 220 according to another example has a
Die Zusammensetzung der ersten Signalkomponente 222 und der zweiten Signalkomponente 224 kann wie vorstehend mit Bezug auf die erste Signalkomponente 212 und die zweite Signalkomponente 214 des Signals 210 beschrieben sein. Der Empfang und die Verwendung der Signalkomponenten 222, 224 können ebenfalls wie vorstehend mit Bezug auf das Signal 210 beschrieben sein. Von einer Wiederholung von gleichen analogen Merkmalen wird daher abgesehen.The composition of the
In weiteren, in
Die Schaltung 102 in
Das Signal, das von dem Verschlüsselungsfunktionsgenerator 160 gemäß der Verschlüsselungsfunktion wi(t) generiert wird, wird einem zweiten Modulator 144 zugeführt, wie durch einen Pfeil 162 veranschaulicht. Der zweite Modulator 144 multipliziert die Chipfolgen des Spreizcodes c(t) und der Verschlüsselungsfunktion wi(t) und führt das Ergebnis dem Modulator 140 zu.The signal generated by the
Gemäß einem Beispiel kann ein Modulationsverfahren für den Spreizcode periodisch verändert werden, wie vorstehend beschrieben. Die Verschlüsselungsfunktion wi(t) hängt von dem jeweiligen Modulationsverfahren ab und weist daher das Modulationsverfahren als eine Variable oder einen Parameter auf. Das Modulationsverfahren für den Spreizcode kann insbesondere zwischen Phasenmodulationsverfahren wie BPSK(n), BOC(i,j), altBOC, TMBOC, usw. mit zeitlich variierenden Parametern umfassen, wie vorstehend beschrieben.According to an example, a modulation method for the spreading code can be changed periodically as described above. The encryption function w i (t) depends on the particular modulation scheme and therefore has the modulation scheme as a variable or parameter. The modulation scheme for the spreading code can include in particular between phase modulation schemes such as BPSK(n), BOC(i,j), altBOC, TMBOC, etc. with time varying parameters as described above.
Die Schaltung 104 der
Das von dem Chip-Phasenversatz-Generator 170 generierte Versatz wird einem dritten Modulator 146 zugeführt, wie durch einen Pfeil 172 veranschaulicht. Somit umfassen Signale, die bei dem dritten Modulator 146 eingehen, den Spreizcode c(t), die Verschlüsselungsfunktion Wi(t), ein periodisch verändertes Modulationsverfahren und einen Chip-Phasenversatz für den Spreizcode. Der resultierende verschlüsselte und modifizierte Spreizcode wird dem Modulator 140 zugeführt, wie durch einen Pfeil 148 veranschaulicht, und auf die Trägerwelle moduliert und ausgesendet, wie durch den Pfeil 142 angedeutet.The offset generated by chip phase offset
In dem Beispiel der
Das Beispiel in
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- GNSSGNSS
- 12-1812-18
- Satellitsatellite
- 2020
- Empfängerrecipient
- 2222
- GNSS-SignalGNSS signal
- 3030
- Unbefugter/AngreiferUnauthorized/attacker
- 3232
- GNSS-SignalGNSS signal
- 3434
- imitiertes GNSS-Signalmock GNSS signal
- 100, 102, 104100, 102, 104
- Schaltungcircuit
- 110110
- Trägerwelle-SignalgeneratorCarrier Wave Signal Generator
- 112112
- Trägerwelle-Signalcarrier wave signal
- 120120
- Spreizcode-SignalgeneratorSpreading Code Signal Generator
- 122122
- Spreizcode-Signalspreading code signal
- 130130
- Frequenzfunktionsgeneratorfrequency function generator
- 132132
- Frequenzfunktion-Signalfrequency function signal
- 140, 144, 146140, 144, 146
- Modulatormodulator
- 142142
- Ausgangssignaloutput signal
- 148148
- verschlüsseltes Spreizcode-Signalencrypted spreading code signal
- 150150
- Steuereinheitcontrol unit
- 160160
- Verschlüsselungsfunktionsgeneratorencryption function generator
- 162162
- Verschlüsselungsfunktion-SignalEncryption Function Signal
- 170170
- Chip-Phasenversatz-GeneratorChip Phase Shift Generator
- 172172
- Chip-Phasenversatzchip phase shift
- 210210
- SenderChannel
- 212-220212-220
- gesendete Signalesent signals
- 230230
- Laufzeitduration
- 240240
- Empfängerrecipient
- 242-250242-250
- empfangene Signalereceived signals
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-
2020
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-
2021
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Also Published As
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