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 claim 1 and the independent claims. Particularly noteworthy embodiments of the claimed subject matter are given by the dependent claims.

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: s i = A c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )

Figure DE102020119348A1_0001
wobei si das Signal für das Zeitintervall [t(i), t(i+1)], A die Amplitude, c(t) der Spreizcode, fT die Trägerfrequenz, und fi(t) die Frequenzfunktion ist. Wie vorstehend beschrieben, kann die Trägerfrequenz fT auch zeitlich variabel sein.A signal provided in this way can take the following form: s i = A c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0001
where s i is the signal for the time interval [t(i), t(i+1)], A is the amplitude, c(t) is the spreading code, f T is the carrier frequency, and f i (t) is the frequency function. As described above, the carrier frequency f T can also be variable over time.

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: s i = A D ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t ) .

Figure DE102020119348A1_0002
In some examples, the signal further comprises a character string of a navigation message, so the signal si may have another factor D(t) for the bitwise navigation message. Accordingly, the signal can take the following form: s i = A D ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t ) .
Figure DE102020119348A1_0002

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: s i = A w i ( t , Φ i ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )

Figure DE102020119348A1_0003
wobei wi(t, Φi) eine Verschlüsselungsfunktion des Spreizcodes darstellt, die von dem jeweiligen Phasenmodulationsverfahren Φi für das Zeitintervall [t(i), t(i+1)] abhängt. Ferner kann das Phasenmodulationsverfahren Φi in eine (binäre) Zeichenfolge übersetzt werden und mit der vorstehend diskutierten Parameterzeichenfolge ausgesendet werden.A signal provided in this way can take the following form: s i = A w i ( t , Φ i ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0003
where w i (t, Φ i ) represents an encryption function of the spreading code, which depends on the respective phase modulation method Φ i for the time interval [t(i), t(i+1)]. Furthermore, the phase modulation method Φ i can be translated into a (binary) character string and transmitted with the parameter character string discussed above.

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: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )

Figure DE102020119348A1_0004
wonach die Verschlüsselungsfunktion wi(t, Φi, Δφi) ferner von einem jeweiligen Phasenversatz Δφi des Spreizcodes für das Zeitintervall [t(i), t(i+1)], dem Spreizcode-Phasenversatz, abhängt. Der Phasenversatz Δφi kann in eine (binäre) Zeichenfolge übersetzt werden und mit der vorstehend diskutierten Parameterzeichenfolge ausgesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Spreizcode mit dem Spreizcode-Phasenversatz überlagert sein, sodass das Signal die folgende Form aufweist: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t , Δ φ i ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0005
A signal provided in this way can take the following form: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0004
according to which the encryption function w i (t, Φ i , Δφ i ) also depends on a respective phase offset Δφ i of the spreading code for the time interval [t(i), t(i+1)], the spreading code phase offset. The phase offset Δφ i can be translated into a (binary) string and sent out with the parameter string discussed above. Alternatively or additionally, the spreading code can be superimposed with the spreading code phase offset, so that the signal has the following form: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t , Δ φ i ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0005

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: s i = A w i ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t ) ,

Figure DE102020119348A1_0006
wobei A die Amplitude des Signals ist, wi(t) eine Verschlüsselungsfunktion für den Spreizcode ist, c(t) der Spreizcode ist, fT die Trägerfrequenz ist, und fi(t) die Frequenzfunktion ist.According to an example, a GNSS signal s i is provided and transmitted in a time interval te [t(i), t(i+1)] in the following form: s i = A w i ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t ) ,
Figure DE102020119348A1_0006
where A is the amplitude of the signal, w i (t) is an encryption function for the spreading code, c(t) is the spreading code, f T is the carrier frequency, and f i (t) is the frequency function.

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: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t , Δ φ i ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )

Figure DE102020119348A1_0007
According to one example, the scrambling function w i (t) or w i (t, Φ i ) further comprises a chip phase offset Δφ i when modulating the spreading code onto the carrier wave. The phase offset can be implemented as discussed above. In particular, the phase offset can vary between discrete phase offset steps, for example between 0.01 and 1 times the phase length of a specific modulation method. Furthermore, the phase offset can be changed periodically. For example, the phase offset is changed in each time interval. Accordingly, the encryption function can depend on the respective phase modulation method, represented by Φ i , for the respective time interval and/or on a spreading code phase offset Δφ i as described above. Additionally or alternatively, the spread code can be designed according to the spread code phase offset Δφi. The resulting signal can look like this: s i = A w i ( t , Φ i , Δ φ i ) c ( t , Δ φ i ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) t )
Figure DE102020119348A1_0007

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: s i = A i w i ( t i ) c ( t i ) cos ( 2 π ( f I F + f 0 + f D ( t l ) + f i ( t l ) ) t l + θ ) + N l ,

Figure DE102020119348A1_0008
wobei 1 für die Abtastung steht mit 1 = 1, 2, ..., L, wobei L eine positive ganze Zahl ist. Demnach steht tl für die Abtastungszeit. Ferner ist Al die Amplitude des empfangenen Signals, fIF die Zwischenfrequenz, fo das Frequenz-Offset, fD die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt, θ der empfängerseitige Phasenversatz der Trägerwelle und Nl das thermische Rauschen. Unbefugten ohne Kenntnis der vorgenannten Parameterzeichenfolge bleiben zumindest wi(tl) und fi(tl) unbekannt. Wie vorstehend diskutiert kann die Frequenzfunktion fi(tl) mit einer zeitlich veränderlichen Trägerfrequenz einhergehen, sodass eine Nachverfolgung des GNSS-Signals ohne Kenntnis der Frequenzfunktion hochgradig aufwendig ist. Ferner kann die Verschlüsselungsfunktion wi(tl) insbesondere von dem jeweiligen Phasenmodulationsverfahren und/oder einem Phasenversatz für den Spreizcode abhängen. Dies erschwert eine Schätzung des GNSS-Signals durch Unbefugte noch weiter.In particular, the GNSS signal can be received at a specific sampling rate. Accordingly, the received signal can have the following form: s i = A i w i ( t i ) c ( t i ) cos ( 2 π ( f I f + f 0 + f D ( t l ) + f i ( t l ) ) t l + θ ) + N l ,
Figure DE102020119348A1_0008
where 1 represents the sample with 1 = 1, 2, ..., L, where L is a positive integer. Accordingly, t l stands for the sampling time. Furthermore, A l is the amplitude of the received signal, f IF is the intermediate frequency, f o is the frequency offset, f D is the frequency shift due to the Doppler effect, θ is the receiver-side phase offset of the carrier wave, and N l is the thermal noise. At least w i (t l ) and f i (t l ) remain unknown to unauthorized persons without knowledge of the aforementioned parameter character string. As discussed above, the frequency function f i (t l ) can be associated with a time-varying carrier frequency, such that tracking the GNSS signal without knowledge of the frequency function is highly expensive. Furthermore, the encryption function w i (t l ) can depend in particular on the respective phase modulation method and/or a phase offset for the spread code. This makes it even more difficult for unauthorized persons to estimate the GNSS signal.

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

  • 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.

1 zeigt schematisch ein globales Navigationssatellitensystem 10, GNSS, gemäß einem Beispiel. Das GNSS 10 umfasst mindestens vier Satelliten 12, 14, 16 und 18, die in einem jeweiligen Orbit um die Erde kreisen. Als Teil des GNSS 10 stellen die Satelliten 12-18 Informationen über ihre jeweilige Identität, ihre jeweilige Position (Ephemeriden) und ihre jeweilige Uhrzeit bereit. Die Informationen werden in Form eines GNSS-Signals über eine Trägerwelle des jeweiligen Satelliten 12-18 ausgesendet, wie durch gestrichelte Linien 22, 32 veranschaulicht. 1 FIG. 12 schematically shows a global navigation satellite system 10, GNSS, according to an example. The GNSS 10 includes at least four satellites 12, 14, 16 and 18 orbiting the earth in respective orbits. As part of the GNSS 10, the satellites 12-18 provide information about their respective identities, their respective positions (ephemeris), and their respective times. The information is broadcast in the form of a GNSS signal via a carrier wave from the respective satellite 12-18, as illustrated by dashed lines 22,32.

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 receiver 20, which may be terrestrial, at sea, in the air, or in space, includes receiver apparatus to receive the GNSS signals, as shown schematically by dashed lines 22. FIG. In particular, the receiver 20 may be in motion relative to the satellites, for example as a navigation device in a moving vehicle.

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 unauthorized person 30, referred to simply as an attacker 30 below, can receive the GNSS signals transmitted by the satellites 12-18, as illustrated by the dashed lines 32. For example, the attacker 30 also has a receiver device.

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 attacker 30 can receive and analyze a first part of a conventional GNSS signal, and guess (guess) the remaining part of the same GNSS signal. For this purpose, the attacker 30 can take advantage of the fact that a large part of the technical information about the GNSS signal is freely available, such as the carrier frequency of the carrier wave, the spread code of the respective satellite 12-18, the structure of the GNSS signal, the orbit and the speed of the respective satellite (to compensate for Doppler effects). For GNSS services with unknown spreading codes, further information about the GNSS signal can be obtained, e.g. using spectral analysis, such as the modulation method used to modulate the spreading code, the number of chips in the spreading code, the length of a chip, etc.

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 attacker 30 may attempt to arbitrarily manipulate a GNSS signal (hereinafter simply referred to as “impersonate”) and transmit the impersonated GNSS signal to the receiver 20, as by dashed line 34 illustrated. For this purpose, the attacker 30 can use a signal generator, for example, in order to imitate positions, movements and/or times of one or more satellites 12-18 at will. Furthermore, the attacker 30 can use a powerful transmitter device to transmit the imitation GNSS signal with a high transmission power. Such an attack can be generically referred to as a spoofing attack.

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 1), nach etwa einer Hälfte der zeitlichen Länge eines Bits oder eines Chips das Vorzeichen des jeweiligen Bits oder Chips schätzen, indem er die Energie des GNSS-Signales während dieser Zeitspanne aufintegriert. Basierend auf der Schätzung können manipulierte Bits der Navigationsnachricht oder manipulierte Chips des Spreizcodes erzeugt und ausgesendet werden. Beispielsweise erfolgt das Aussenden des imitierten GNSS-Signals mit einer größeren Sendeleistung als das ursprüngliche GNSS-Signal, um Empfänger zu täuschen. Ein großes Risiko kann darin bestehen, dass der Angreifer 30 für den SCER-Angriff womöglich keine Kenntnisse über die Struktur des GNSS-Signals und/oder über den Spreizcode benötigt, falls der Angreifer 30 mit einer leistungsstarken Hardware und einer ausreichenden Rechenleistung ausgestattet ist. Daher kann der SCER-Angriff ein ernst zu nehmendes Risiko für den öffentlichen wie den regulierten GNSS-Dienst darstellen.In addition, the attacker can perform a SCER attack as described above. Thus, the attacker 30 estimates a navigation message bit-by-bit, and/or chip-by-chip spreading code in real-time. In a specific example, the attacker 30 receiving the GNSS signal (32 in 1 ), estimates the sign of the respective bit or chip after about half the time length of a bit or a chip by integrating the energy of the GNSS signal during this time span. Based on the estimate, manipulated bits of the navigation message or manipulated chips of the spreading code can be generated and transmitted. For example, the imitation GNSS signal is transmitted with a higher transmission power than the original GNSS signal in order to deceive receivers. A major risk can be that the attacker 30 may not need any knowledge of the structure of the GNSS signal and/or the spreading code for the SCER attack if the attacker 30 is equipped with powerful hardware and sufficient computing power. Therefore, the SCER attack can pose a serious risk to the public as well as the regulated GNSS service.

Wie in 1 veranschaulicht, kann der Angreifer 30 eine Empfangsantenne verwenden, um das empfangene GNSS-Signal zu verstärken. Eine Recheneinheit kann die Bits und/oder Chips in Echtzeit schätzen und ein imitiertes GNSS-Signal, auch Spoofing-Signal genannt, generieren. Eine Sendeantenne kann das Spoofing-Signal mit einer hohen Sendeleistung aussenden.As in 1 As illustrated, attacker 30 may use a receiving antenna to amplify the received GNSS signal. A computing unit can estimate the bits and/or chips in real time and generate an imitation GNSS signal, also called a spoofing signal. A transmitting antenna can emit the spoofing signal with a high transmission power.

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.

2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schaltung 100 gemäß einem Beispiel. Die Schaltung kann insbesondere in einem GNSS, wie beispielsweise dem GNSS 10 in 1, implementiert sein. Ferner kann zumindest ein Teil der Schaltung 100 in einem Satelliten, wie beispielsweise in einem oder mehreren der Satelliten 12-18, implementiert sein. 2 12 shows a schematic circuit diagram of a circuit 100 according to an example. The circuit can be used in particular in a GNSS, such as the GNSS 10 in 1 , to be implemented. Furthermore, at least a portion of circuitry 100 may be implemented in a satellite, such as one or more of satellites 12-18.

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 circuit 100 includes a carrier wave signal generator 110 which generates a carrier wave having a carrier frequency f T . The carrier wave signal generator 110 can be set up to generate the carrier wave with a constant carrier frequency f T . Alternatively or additionally, the carrier wave signal generator 110 can be set up to change the carrier frequency f T over time. For example, the carrier wave signal generator 110 can be set up to provide a plurality of selection frequencies and to generate the carrier wave with one of the selection frequencies as the carrier frequency.

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: A cos ( 2 π f T t ) .

Figure DE102020119348A1_0009
wobei A die Amplitude ist. Wie vorstehend erwähnt kann die Trägerfrequenz fT konstant sein oder zeitlich verändert werden. Die Trägerwelle wird einem Modulator 140 zugeführt, wie durch einen Pfeil 112 in 2 veranschaulicht.Thus, the carrier wave signal generator 110 can provide the carrier wave as an output signal. The carrier wave generated by the carrier wave signal generator 110 can be represented as follows: A cos ( 2 π f T t ) .
Figure DE102020119348A1_0009
where A is the amplitude. As mentioned above, the carrier frequency f T can be constant or can be varied over time. The carrier wave is fed to a modulator 140 as indicated by arrow 112 in 2 illustrated.

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 circuit 100 also has a spreading code signal generator 120 . The spreading code signal generator 120 generates a sequence of modulation states, a chip sequence, according to a spreading code that is unique to, and therefore characteristic of, each satellite. The spreading code signal generator 120 may be hard-programmed for this purpose (such as using a shift register), or retrieve the spreading code from memory (not shown). For convenience, the chip sequence generated by the spreading code signal generator 120 is referred to as the spreading code c(t).

Wie in 2 dargestellt, kann der Spreizcode binär sein und zwischen zwei Zuständen springen, sodass sich eine rechteckige Wellenform ergibt. Der Spreizcode wird dem Modulator 140 zugeführt, wie durch einen Pfeil 122 in 2 veranschaulicht.As in 2 shown, the spreading code can be binary and jump between two states, resulting in a rectangular waveform. The spreading code is applied to the modulator 140 as indicated by an arrow 122 in 2 illustrated.

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 circuit 100 includes a frequency function generator 130 . The frequency function generator 130 is set up to generate a frequency function f i (t) for a time interval [t(i), (i+1)]. The frequency function f i (t) specifies a time profile in a frequency space. The waveform of the frequency function f i (t) can be represented as cos(2π f i (t)t).

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 2 veranschaulicht.For example, the frequency function generator 130 receives instructions for generating the frequency function from a control unit 150, which can specify a class, an initial value, all coefficients, etc. of the respective frequency function f i (t). Alternatively or additionally, the frequency function generator 130 can be connected to a memory (not shown) in order to access a selection of frequency functions stored there and to select a frequency function f i (t) for the respective time interval. The frequency function generated by frequency function generator 130 is applied to modulator 140 as indicated by arrow 132 in FIG 2 illustrated.

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 circuit 100 may further include the control unit 150 that controls the frequency function generator 130 . In particular, the control unit 150 can specify the frequency function to be generated by the frequency function generator 130 for a respective time interval [t(i), t(i+1)], including the class, initial value and coefficients. The control unit 150 may include processor means to execute operations and instructions to control the frequency function generator 130 and thus to generate the frequency function f i (t).

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 circuit 100 may further comprise a communication unit (not shown) to receive instructions regarding the generation of the frequency function f i (t) from an administrator of the satellite, located for example at a center on earth. In particular, the communication unit can be connected to the control unit 150 in order to control it from the earth.

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 modulator 140 is set up to apply the frequency function f i (t) to the carrier wave. Thus, the carrier frequency f T of the carrier wave varies with time as defined by the frequency function f i (t). In particular, the frequency function f i (t) is designed in such a way that the carrier frequency f T is changed periodically after a specific time period Δt, where Δt=[t(i), t(i+1)] and i is an integer.

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 modulator 140 is also set up to modulate the spreading code onto the carrier wave. Thus, the modulator 140 produces a signal with the frequency function f i (t) applied to the carrier wave and the spreading code modulated onto the carrier wave. The signal is output from the modulator 140 as a result, as illustrated by arrow 142 . This signal 142 can be fed to a transmitter device and sent out.

In 2 ist der Modulator 140 beispielhaft, vereinfachend und veranschaulichend als ein einzelnes Element dargestellt. In Wirklichkeit kann der Modulator 140 mehrere separate Teile umfassen. Insbesondere können die Anwendung der Frequenzfunktion fi(t) auf die Trägerwelle und die Modulation des Spreizcodes c(t) auf die Trägerwelle in separaten Teilen des Modulators 140 erfolgen. Beispielsweise können der Spreizcode-Signalgenerator 120 und der Frequenzfunktionsgenerators 130 zunächst jeweils die Trägerwelle von dem Trägerwelle-Signalgenerator 110 erhalten und den Spreizcode c(t) darauf modulieren oder die Frequenzfunktion fi(t) darauf anwenden. Die Zwischenergebnisse (die Trägerwelle nach Anwendung der Frequenzfunktion fi(t) und die Trägerwelle nach der Modulation mit dem Spreizcode c(t)) werden miteinander kombiniert (überlagert, multipliziert) und als Ausgangssignal des Modulators 140 ausgegeben, wie durch einen Pfeil 142 veranschaulicht.In 2 For example, modulator 140 is shown as a single element for simplification and illustration. In reality, the modulator 140 may comprise several separate parts. In particular, the application of the frequency function f i (t) to the carrier wave and the modulation of the spreading code c(t) to the carrier wave can take place in separate parts of the modulator 140 . For example, the spreading code signal generator 120 and the frequency function generator 130 may each first receive the carrier wave from the carrier wave signal generator 110 and modulate the spreading code c(t) thereto or apply the frequency function f i (t) thereto. The intermediate results (the carrier wave after application of the frequency function f i (t) and the carrier wave after modulation with the spreading code c(t)) are combined (superimposed, multiplied) and output as the output signal of the modulator 140, as illustrated by an arrow 142 .

3 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe im Frequenzraum. Insbesondere ergeben sich die zeitlichen Verläufe in 3 nach der Anwendung der Frequenzfunktion fi(t) auf die Trägerfrequenz wie vorstehend beschrieben. 3 shows exemplary time curves in the frequency domain. In particular, the chronological sequences result in 3 after applying the frequency function f i (t) to the carrier frequency as described above.

In 3 sind mehrere aufeinander folgende Zeitintervalle [t(i), t(i+1)] bis [t(i+4), t(i+5)] entlang der vertikalen Achse dargestellt. Die Zeitintervalle sind gleichmäßig lang, d.h. eine Zeitspanne Δt eines jeweiligen Zeitintervalls ist konstant, wobei Δt = t(i+1) - t(i) und i eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist. Beispielsweise kann Δt allgemein 10-4 bis 103 Sekunden, insbesondere 0,01 bis 1 Sekunden betragen.In 3 several consecutive time intervals [t(i), t(i+1)] to [t(i+4), t(i+5)] are shown along the vertical axis. The time intervals are of uniform length, ie a time period Δt of a respective time interval is constant, where Δt=t(i+1)−t(i) and i is an integer between 1 and 5. For example, Δt can generally be 10 -4 to 10 3 seconds, in particular 0.01 to 1 second.

Die horizontale Achse des Diagramms in 3 stellt die Frequenz in einer willkürlichen Einheit dar. Entlang der horizontalen Achse sind mehrere diskrete Frequenzen einschließlich einer Zentralfrequenz fz und Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 dargestellt.The horizontal axis of the chart in 3 represents frequency in arbitrary units. A number of discrete frequencies including a center frequency fz and selection frequencies f -3 to f +3 are represented along the horizontal axis.

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 3 gezeigten Beispiel beträgt die Anzahl der Auswahlfrequenzen 6, wobei 3 Auswahlfrequenzen auf jeder Seite der Zentralfrequenz fz im Frequenzraum bereitgestellt werden. Der Abstand Δf zwischen benachbarten Auswahlfrequenzen f-3 bis f+3 und der Zentralfrequenz fz, d.h. zwischen fa+1 und fa (wobei fz =̂ fo) kann äquivalent zu einem Produkt eines Faktors mit dem Grundtakt (1,023 MHz) sein, wobei der Faktor 0.01 bis 1000 beträgt.The selection frequencies f -3 to f +3 can be determined by setting a distance Δf between the adjacent selection frequencies f -3 to f +3 and the central frequency fz and a number of the selection frequencies. in the in 3 In the example shown, the number of selection frequencies is 6, providing 3 selection frequencies on either side of the center frequency fz in the frequency space. The distance Δf between adjacent selection frequencies f −3 to f +3 and the central frequency fz, ie between f a+1 and f a (where fz=̂ f o ) can be equivalent to a product of a factor with the basic clock (1.023 MHz). , where the factor is 0.01 to 1000.

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 3 gezeigten Beispiel beträgt die Anzahl der Auswahlfrequenzen 6, mit je 3 Auswahlfrequenzen auf beiden Seiten der Zentralfrequenz fz im Frequenzraum. Die Bandbreite F = fmax - fmin kann basierend auf dem Grundtakt (1,023 MHz) des Satelliten, insbesondere als ein ganzzahliges Vielfaches des Grundtakts, bestimmt sein. Beispielsweise ist die Bandbreite äquivalent zu einem Produkt des Grundtakts mit einem Faktor, wobei der Faktor eine ganze Zahl von 0.01 bis 1000, insbesondere 0.5 bis 2 sein kann.Alternatively or additionally, the selection frequencies can be determined by specifying the bandwidth F of the respective frequency range together with the number of selection frequencies. in the in 3 example shown, the number of selection frequencies is 6, with 3 selection frequencies on both sides of the central frequency fz in the frequency domain. The bandwidth F = fmax - fmin can be determined based on the base clock (1.023 MHz) of the satellite, specifically as an integer multiple of the base clock. For example, the bandwidth is equivalent to a product of the basic clock and a factor, where the factor can be an integer from 0.01 to 1000, in particular 0.5 to 2.

Im Beispiel der 3 sind die einzelnen zeitlichen Verläufe mit jeweils mit einer dicken Linie fT(i) bis fT(i+4) dargestellt. Wie vorstehend erläutert, stellen die zeitlichen Verläufe zunächst den Inhalt der Frequenzfunktion fi(t) dar; durch die Anwendung der Frequenzfunktion fi(t) auf die Trägerfrequenz fT werden die zeitlichen Verläufe der Trägerfrequenz fT(i) bis fT(i+4) erhalten.In the example of 3 the individual time curves are each shown with a thick line f T(i) to f T(i+4) . As explained above, the time curves initially represent the content of the frequency function f i (t); the time characteristics of the carrier frequency f T(i) to f T(i+4) are obtained by applying the frequency function f i (t) to the carrier frequency f T .

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 3 veranschaulichend ist und womöglich nicht kongruent mit einer Parabel sein kann.The course over time in the time interval [t(i+2), t(i+3)] is, for example, parabolic, ie a polynomial of the second order. Accordingly, the carrier frequency f T(i+2) changes starting from the selection frequency f +1 , which corresponds to an addition fz+Δf, along a parabola to the selection frequency f +2 . Accordingly, the frequency function f i+2 (t) can be represented by f i+2 (t) = c 2 t 2 + c 1 t + c o , where c o , c 1 and c 2 are coefficients of a second degree polynomial with c o = f +1. c 1 can be any number and c 2 can be any positive number. It should be noted that the curve in 3 is illustrative and may not be congruent with a parabola.

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 3 veranschaulichend ist und womöglich nicht kongruent mit einer exponentiellen Kurve sein kann.The course over time in the time interval [t(i+3), t(i+4)] is exponential, for example. Accordingly, the carrier frequency f T(i+3) changes, starting from the selection frequency f −3 , which corresponds to a subtraction f Z −3Δf, along an exponential curve to the central frequency fz. For example, the frequency function f i+3 (t) can be represented by f i+3 (t) = c 2 exp(c 1 t) + c o where c o , c 1 and c 2 are respective coefficients with c o = f- 3 . c 1 and c 2 can be any positive numbers. The exponent can have another polynomial instead of a linear equation and itself have a constant term. It should be noted that the curve in 3 is illustrative and may not be congruent with an exponential curve.

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 wave signal generator 110 or by an additional unit (not shown) that can modify the carrier wave.

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 wave signal generator 110 can select one of the selection frequencies f -3 to f +3 as the carrier frequency f T and generates the carrier wave accordingly.

Die Beispiele zeigen, dass der zeitliche Verlauf der Trägerfrequenz periodisch geändert werden kann. Es ist zu beachten, dass die in 3 gezeigten Verläufe beispielhaft und veranschaulichend sind und teils vereinfacht sind. Die Reihenfolge der Verläufe sowie die Form der einzelnen Verläufe kann beliebig verändert werden. Insbesondere können die als Beispiel gezeigten mathematischen Funktionsklassen (exponentiell, linear, Polynom) miteinander kombiniert werden. Die einzelnen Verläufe können alternativ oder zusätzlich einen mathematischen Term enthalten, der in 3 nicht gezeigt ist, wie beispielsweise logarithmisch, trigonometrisch, usw., wie vorstehend erläutert.The examples show that the time profile of the carrier frequency can be changed periodically. It should be noted that the in 3 curves shown are exemplary and illustrative and are partly simplified. The order of the gradients and the form of the individual gradients can be changed as desired. In particular, the mathematical function classes shown as an example (exponential, linear, polynomial) can be combined with one another. The individual curves can alternatively or additionally contain a mathematical term that is 3 is not shown, such as logarithmic, trigonometric, etc., as discussed above.

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.

4 zeigt ein schematisches Diagramm mit zeitlichen Abläufen von gesendeten Signalen. In 4 dargestellt sind zwei Beispiele eines GNSS-Signals 210 und 220. Die horizontale Achse in 4 stellt eine Zeitachse t dar. Die Zeitachse t ist in mehrere Zeitintervalle unterteilt, wobei in 4 beispielhaft die Zeitintervalle [t(i-2), t(i-1)] (teilweise), [t(i-1), t(i)], [t(i), t(i+1)] und [t(i+i), t(i+2)] (teilweise) dargestellt sind. Obgleich die Zeitintervalle in 4 mit einer konstanten Länge Δt = t(i) - t(i-1) dargestellt sind, kann die Länge jedes Zeitintervalls in anderen (nicht gezeigten) Beispielen veränderlich sein, wie vorstehend erläutert. Mit anderen Worten können die Breiten der Zeitintervalle zeitlich variieren. 4 shows a schematic diagram with time sequences of transmitted signals. In 4 shown are two examples of a GNSS signal 210 and 220. The horizontal axis in 4 represents a time axis t. The time axis t is divided into several time intervals, where in 4 exemplarily the time intervals [t(i-2), t(i-1)] (partly), [t(i-1), t(i)], [t(i), t(i+1)] and [t(i+i), t(i+2)] (partially). Although the time intervals in 4 are shown as having a constant length Δt = t(i) - t(i-1), in other examples (not shown) the length of each time interval may be variable, as discussed above. In other words, the widths of the time intervals can vary over time.

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 first signal component 212 and a second signal component 214 . The first signal component 212 can correspond to a pilot channel (partially encrypted), authentication channel or data channel or be transmitted on a data channel. The second signal component 214 may be or be transmitted over a data channel separate from the aforementioned data channel and/or an authentication channel. In other examples, the second signal component 214 may be superimposed on the first signal component 212 in the data channel.

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 second signal component 214 may be transmitted over a separate, external communication channel outside of satellite signaling. The external communication channel can include a wired network connection, a wireless network connection or other radio connections such as the Internet, LTE, Wifi, 5G, etc.

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 4 ist die erste Signalkomponente 212 kontinuierlich dargestellt und veranschaulicht, dass manche Informationen, insbesondere die Navigationsnachricht, kontinuierlich ausgesendet werden kann. Je nach Implementierung kann die erste Signalkomponente jedoch Unterbrechungen aufweisen (nicht gezeigt).The first signal component 212 may represent a signal resulting from the modulation of the navigation message (and/or a MAC code), the spreading code, and the frequency function onto the carrier wave. Thus, the first signal component 212 can transmit an encrypted part of the GNSS signal. In 4 the first signal component 212 is shown continuously and illustrates that some information, in particular the navigation message, can be sent out continuously. However, depending on the implementation, the first signal component may have discontinuities (not shown).

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 second component signal 214 transmits information for authentication and/or decryption of the first component signal 212 . In addition to the parameter string, the authentication key for MAC code decryption can be sent out. Thus, the second signal component 214 can transmit a decrypting and/or authenticating part of the GNSS signal.

Wie in 4 veranschaulicht wird die zweite Signalkomponente 214 nicht kontinuierlich, sondern in regelmäßigen Abständen in einem Endabschnitt jedes Zeitintervalls ausgesendet. Demnach empfängt der Empfänger die erste Signalkomponente 212 kontinuierlich und speichert sie jeweils für das gesamte Zeitintervall, während er die zweite Signalkomponente 214 in regelmäßigen Abständen empfängt. Die Parameterzeichenfolge, die erst am Ende des jeweiligen Zeitintervalls vollständig empfangen wird, wird verwendet, um die Frequenzfunktion abzubilden. Die Frequenzfunktion kann verwendet werden, um den Spreizcode für das jeweilige Zeitintervall nachzubilden und somit die Navigationsnachricht zu entschlüsseln bzw. zu authentifizieren. Gegebenenfalls können noch weitere Schlüssel, die über die zweite Signalkomponente übertragen werden, verwendet werden, um die Navigationsnachricht vollständig zu entschlüsseln und/oder das empfangene GNSS-Signal zu authentifizieren.As in 4 As illustrated, the second signal component 214 is not emitted continuously, but is emitted at regular intervals in a final portion of each time interval. Accordingly, the receiver receives the first signal component 212 continuously and stores it for the entire time interval vall while receiving the second signal component 214 at regular intervals. The parameter string, which is only fully received at the end of the respective time interval, is used to map the frequency function. The frequency function can be used to emulate the spreading code for the respective time interval and thus to decrypt or authenticate the navigation message. If necessary, further keys, which are transmitted via the second signal component, can be used in order to completely decrypt the navigation message and/or to authenticate the received GNSS signal.

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 first signal component 222 and a second signal component 224 . The signal components 222, 224 of the GNSS signal 220 are transmitted in a common channel, in particular in a data channel. In this example, the first signal component 222, which transmits the encrypted part of the GNSS signal, and the second signal component 224, which transmits the decrypting and/or authenticating part of the GNSS signal, are transmitted alternately. Accordingly, the transmission of the first signal component 222 is interrupted in order to transmit the second signal component 224. In particular, the first signal component 222 is transmitted in a first, initial portion of a respective time interval. The second signal component 224 is transmitted in a second section, in particular towards the end, of a respective time interval.

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 first signal component 222 and the second signal component 224 may be as described above with respect to the first signal component 212 and the second signal component 214 of the signal 210 . The reception and use of signal components 222, 224 may also be as described above with respect to signal 210. A repetition of the same analogous features is therefore avoided.

In weiteren, in 4 nicht explizit gezeigten Beispielen kann die Parameterzeichenfolge verschlüsselt über einen öffentlichen GNSS-Dienst ausgesendet werden, wobei der Empfänger einen Schlüssel zur Entschlüsselung der Parameterzeichenfolge separat erhält.In further, in 4 In some examples that are not explicitly shown, the parameter string can be sent in encrypted form via a public GNSS service, with the recipient receiving a key for decrypting the parameter string separately.

5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schaltung 102 gemäß einem weiteren Beispiel. Die Schaltung 102 weist alle strukturellen und funktionalen Merkmale der Schaltung 100 der 2 auf, die an den gleichen Bezugszeichen erkennbar sind. 5 10 shows a schematic circuit diagram of a circuit 10 2 according to a further example. The circuit 10 2 has all the structural and functional features of the circuit 100 of FIG 2 on, which can be recognized by the same reference numbers.

Die Schaltung 102 in 5 umfasst ferner einen Verschlüsselungsfunktionsgenerator 160, der ein Signal gemäß einer Verschlüsselungsfunktion wi(t) generiert. Die Verschlüsselungsfunktion kann eine Chipfolge umfassen, eine gleiche Gesamtlänge aufweist wie die Chipfolge des Spreizcodes c(t). Die Auswahl und Bereitstellung der Verschlüsselungsfunktion wi(t) und des entsprechenden Signals kann von der Steuereinheit 150 gesteuert werden.The circuit 10 2 in 5 further comprises an encryption function generator 160 which generates a signal according to an encryption function w i (t). The encryption function may comprise a chip sequence having the same overall length as the chip sequence of the spreading code c(t). The control unit 150 can control the selection and provision of the encryption function w i (t) and the corresponding signal.

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 encryption function generator 160 according to the encryption function w i (t) is fed to a second modulator 144 as illustrated by an arrow 162 . The second modulator 144 multiplies the chip sequences of the spreading code c(t) and the encryption function w i (t) and feeds the result to the modulator 140 .

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.

6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schaltung 104 gemäß einem weiteren Beispiel. Die Schaltung 104 der 6 weist alle strukturellen und funktionalen Merkmale der Schaltung 100 der 2 und der Schaltung 102 der 5 auf, die an den gleichen Bezugszeichen erkennbar sind. 6 12 shows a schematic circuit diagram of a circuit 104 according to a further example. The circuit 104 of 6 has all the structural and functional features of the circuit 100 of FIG 2 and circuit 102 of FIG 5 on, which can be recognized by the same reference numbers.

Die Schaltung 104 der 6 weist ferner einen Chip-Phasenversatz-Generator 170 auf. Der Chip-Phasenversatz-Generator 170 generiert einen Chip-Phasenversatz (zeitliche Verzögerung), um welchen die Phase des Spreizcodes verschoben wird, insbesondere zyklisch. Der Phasenversatz des Spreizcodes kann sich auf ein zugehöriges Pilotsignal des Senders beziehen, wie vorstehend beschrieben. Das Pilotsignal kann bereitgestellt und ausgesendet sein, um unter anderem die Extraktion des Spreizcodes und/oder der Nachricht zu erleichtern. Beispielsweise wird ein Korrelationsverfahren zwischen einem Datensignal (d.h. Trägersignal überlagert mit der Nachricht und dem Spreizcode einschließlich jeweiliger Verschlüsselung) und dem Pilotsignal (mit dem Spreizcode modulierte Trägerwelle) ausgeführt, um die Nachricht und/oder den Spreizcode zu extrahieren.The circuit 104 of 6 further includes a chip phase shift generator 170 . The chip phase offset generator 170 generates a chip phase offset (time delay) by which the phase of the spreading code is shifted, in particular cyclically. The phase offset of the spreading code can be related to an associated pilot signal of the transmitter, as described above. The pilot signal can be provided and sent to, among other things, the extraction of the spreading code and / or the to facilitate message. For example, a correlation process between a data signal (ie carrier signal superimposed with the message and the spreading code including respective encryption) and the pilot signal (carrier wave modulated with the spreading code) is performed to extract the message and/or the spreading code.

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 generator 170 is provided to a third modulator 146 as illustrated by arrow 172 . Thus, signals entering the third modulator 146 include the spreading code c(t), the encryption function W i (t), a periodically changed modulation scheme, and a chip phase offset for the spreading code. The resulting encrypted and modified spreading code is applied to modulator 140 as indicated by arrow 148 and modulated onto the carrier wave and transmitted as indicated by arrow 142. FIG.

7 ist eine schematische Darstellung von periodisch verändertem Chip-Phasenversatz und periodisch verändertem Phasenmodulationsverfahren. Als Referenz für den Chip-Phasenversatz kann dabei das Modulationsverfahren BPSK(2) dienen, wobei der Parameter (2) eine Chip-Rate angibt, wobei die Ziffer einen Multiplikator mit dem Grundtakt (1,023 MHz) angibt. 7 Figure 12 is a schematic representation of periodically varying chip phase offset and periodically varying phase modulation scheme. The BPSK(2) modulation method can be used as a reference for the chip phase offset, with the parameter (2) specifying a chip rate, with the digit specifying a multiplier with the basic clock (1.023 MHz).

In dem Beispiel der 7 ist ein Chip-Phasenversatz Φ entsprechend 0,5 der Phasenlänge des BPSK(2)-Modulationsverfahrens abgebildet. Darauf folgt eine BPSK(2)-Modulation, gefolgt von einer BPSK(1)-Modulation und einer BOC(1,1)-Modulation. Beispielsweise stellt das in 7 dargestellte Beispiel eine Chipfolge von (-1, +1, -1) dar, wobei die Chips durch voneinander verschiedene Modulationsverfahren erzeugt sind.In the example of 7 a chip phase offset Φ corresponding to 0.5 of the phase length of the BPSK(2) modulation method is shown. This is followed by a BPSK(2) modulation, followed by a BPSK(1) modulation and a BOC(1,1) modulation. For example, that puts in 7 The example shown represents a chip sequence of (-1, +1, -1), the chips being produced by modulation methods which are different from one another.

Das Beispiel in 7 ist rein schematisch und dient der Veranschaulichung. Insbesondere kann das Modulationsverfahren periodisch pro Zeitintervall [t(i), t(i+1)] verändert werden und innerhalb eines Zeitintervalls unverändert bleiben.The example in 7 is purely schematic and is used for illustration purposes. In particular, the modulation method can be changed periodically per time interval [t(i), t(i+1)] and remain unchanged within a time interval.

8 zeigt schematische und beispielhafte Leistungsspektren von verschiedenen Phasenmodulationsverfahren und eines breitbandigen Spreizcode-Authentifizierungsverfahrens (BSCA). Es ist in 8 zu erkennen, dass die Anwendung eines einzigen Modulationsverfahrens ein charakteristisches Leistungsspektrum mit ausgeprägten Maxima in vorhersehbaren Frequenzbereichen hinterlässt. Das erfindungsgemäße BSCA hingegen kann eine homogene, gleichmäßige Nutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Frequenzbereichs ermöglichen und die verwendeten Modulationsverfahren im Leistungsspektrum verschleiern. 8th shows schematic and exemplary power spectra of different phase modulation methods and a broadband spreading code authentication method (BSCA). It is in 8th to recognize that the application of a single modulation method leaves behind a characteristic power spectrum with pronounced maxima in predictable frequency ranges. The BSCA according to the invention, on the other hand, can enable a homogeneous, uniform use of the entire available frequency range and disguise the modulation methods used in the power spectrum.

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

Claims (15)

Verfahren zum Betreiben eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Spreizcodes; Bereitstellen einer Trägerwelle mit einer Trägerfrequenz; Anwenden einer Frequenzfunktion auf die Trägerwelle, wobei die Frequenzfunktion einen zeitabhängigen Verlauf in Frequenzraum definiert und sich periodisch verändert; und Modulieren des Spreizcodes auf die Trägerwelle.A method of operating a Global Navigation Satellite System, GNSS, the method comprising: providing a spreading code; providing a carrier wave having a carrier frequency; applying a frequency function to the carrier wave, the frequency function defining a time-dependent course in frequency space and changing periodically; and modulating the spreading code onto the carrier wave. Verfahren nach Anspruch 1, periodisches Verändern eines Modulationsverfahrens, gemäß welchem der Spreizcode auf die Trägerwelle moduliert wird.procedure after claim 1 , periodically changing a modulation method according to which the spreading code is modulated onto the carrier wave. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: Einfügen eines Chip-Phasenversatzes beim Modulieren des Spreizcodes auf die Trägerwelle; und periodisches Verändern des Chip-Phasenversatzes.procedure after claim 1 or 2 , further comprising: introducing a chip phase offset when modulating the spreading code onto the carrier wave; and periodically changing the chip phase offset. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modulieren des Spreizcodes auf die Trägerwelle umfasst: Überlagern des Spreizcodes mit einer Verschlüsselungschipfolge, um einen verschlüsselten Spreizcode zu erhalten; und Modulieren des verschlüsselten Spreizcodes auf die Trägerwelle.A method according to any one of the preceding claims, wherein modulating the spreading code onto the carrier wave comprises: overlaying the spreading code with an encryption chip sequence to obtain an encrypted spreading code; and modulating the encrypted spreading code onto the carrier wave. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anwenden der Frequenzfunktion auf die Trägerwelle bewirkt, dass sich die Trägerfrequenz innerhalb eines Frequenzbandes verändert.A method as claimed in any preceding claim, wherein applying the frequency function to the carrier wave causes the carrier frequency to vary within a frequency band. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Bereitstellen von mehreren diskreten Auswahlfrequenzen; und Bestimmen eine der mehreren diskreten Auswahlfrequenzen als die Trägerfrequenz der Trägerwelle jeweils für ein Zeitintervall [t(i), t(i+1)].Method according to one of the preceding claims, providing multiple discrete selection frequencies; and designate one of the plurality of discrete selection frequencies as the carrier frequency of the carrier wave for a time interval [t(i), t(i+1)], respectively. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Bereitstellen und Aussenden eines GNSS-Signals si in einem Zeitintervall t e [t(i), t(i+1)] gemäß folgender Form: s i = A w i ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) i ) ,
Figure DE102020119348A1_0010
wobei: A die Amplitude des Signals ist, wi(t) eine Verschlüsselungsfunktion für den Spreizcode ist, c(t) der Spreizcode ist, fT die Trägerfrequenz ist, und fi(t) die Frequenzfunktion ist.
Method according to one of the preceding claims, further comprising: providing and transmitting a GNSS signal s i in a time interval te [t(i), t(i+1)] according to the following form: s i = A w i ( t ) c ( t ) cos ( 2 π ( f T + f i ( t ) ) i ) ,
Figure DE102020119348A1_0010
where: A is the amplitude of the signal, w i (t) is an encryption function for the spreading code, c(t) is the spreading code, f T is the carrier frequency, and f i (t) is the frequency function.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verschlüsselungsfunktion wi(t) ferner mindestens eines der Folgenden umfasst: - einen Chip-Phasenversatz beim Modulieren des Spreizcode auf die Trägerwelle; - ein jeweiliges Phasenmodulationsverfahren für das Zeitintervall [t(i), t(i+1)].procedure after claim 7 , wherein the encryption function w i (t) further comprises at least one of: - a chip phase offset when modulating the spreading code onto the carrier wave; - a respective phase modulation method for the time interval [t(i), t(i+1)]. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Aussenden der mit dem Spreizcode modulierten Trägerwelle; und nach dem Aussenden der mit dem Spreizcode modulierten Trägerwelle, Aussenden einer Parameterzeichenfolge zur Extraktion der Frequenzfunktion.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: transmitting the carrier wave modulated with the spreading code; and after sending out the carrier wave modulated with the spreading code, sending out a parameter character string for extraction of the frequency function. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bereitstellen einer Navigationsnachricht; Modulieren der Navigationsnachricht zusammen mit dem Spreizcode auf die Trägerwelle.procedure after claim 9 , further comprising: providing a navigation message; modulating the navigation message along with the spreading code onto the carrier wave. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Anwenden eines Authentifizierungsschlüssels auf die Navigationsnachricht, um einen Authentifizierungscode zu erhalten; Aussenden des Authentifizierungscodes vor, mit oder nach der Navigationsnachricht; Aussenden des Authentifizierungsschlüssels nach dem vollständigen Aussenden des Authentifizierungscodes.procedure after claim 10 , further comprising: applying an authentication key to the navigation message to obtain an authentication code; sending the authentication code before, with or after the navigation message; Sending out the authentication key after the complete sending out of the authentication code. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Parameterzeichenfolge zur Extraktion der Frequenzfunktion über einen Kommunikationskanal außerhalb des GNSS und/oder über einen Datenkanal eines öffentlichen GNSS-Dienstes ausgesendet wird, wobei die Parameterzeichenfolge mit einer Übersendungszeichenfolge überlagert wird.Method according to any of the preceding claims, wherein a parameter string for extraction of the frequency function is broadcast over a communication channel outside of GNSS and/or over a data channel of a public GNSS service, wherein the parameter string is overlaid with a broadcast string. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend: Empfangen eines GNSS-Signals, das mit der Trägerwelle übermittelt wird, auf welche der Spreizcode moduliert ist und die Frequenzfunktion angewendet ist; Speichern des GNSS-Signals für eine Zeitspanne äquivalent zu einer Gültigkeitsdauer der Frequenzfunktion; Abbilden der Frequenzfunktion anhand der Parameterzeichenfolge; und Abbilden des Spreizcodes unter Verwendung der abgebildeten Frequenzfunktion.Procedure according to one of claims 9 until 12 , further comprising: receiving a GNSS signal transmitted with the carrier wave to which the spreading code is modulated and the frequency function is applied; storing the GNSS signal for a period of time equivalent to a lifetime of the frequency function; mapping the frequency function using the parameter string; and mapping the spreading code using the mapped frequency function. Vorrichtung zur Verwendung in einem GNSS, die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.Device for use in a GNSS for carrying out the method according to one of Claims 1 until 12 is set up. Empfängervorrichtung eines GNSS-Systems, die eingerichtet zur Ausführung der folgenden Verfahrensschritte: Empfangen eines GNSS-Signals; Speichern des GNSS-Signals für eine Zeitspanne äquivalent zu einer Gültigkeitsdauer der Frequenzfunktion; Abbilden der Frequenzfunktion aus der Parameterzeichenfolge; und Abbilden des Spreizcodes unter Verwendung der abgebildeten Frequenzfunktion.Receiver device of a GNSS system set up to carry out the following method steps: receiving a GNSS signal; storing the GNSS signal for a period of time equivalent to a lifetime of the frequency function; mapping the frequency function from the parameter string; and Map the spreading code using the mapped frequency function.
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