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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von GNSS-Spoofing mittels eines GNSS-Empfängers eines Lokalisierungssystems.
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Ein globales Navigationssatellitensystem (Abk.: GNSS) ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang von Navigationssatellitensignalen. Mittels eines Lokalisierungssystems mit einem GNSS-Empfänger lässt sich ein mit dem Lokalisierungssystem versehenes Objekt positionieren und navigieren.
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Allerdings können heutzutage die Navigationssatellitensignale durch eine kostengünstige Hardware und eine beispielsweise open-source Software ohne großen Aufwand gefälscht werden, sodass das Objekt durch die gefälschten Navigationssatellitensignalen manipuliert werden kann. Dies wird als GNSS-Spoofing bezeichnet und ist besonders für das autonome Fahren von Bedeutung. Denn das autonome Fahren stellt hierbei neben der Positionsgenauigkeit besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit und Integrität (bzw. Korrektheit der Ortungsinformationen, z. B. Korrektheit der Genauigkeitsangabe). Insbesondere im Kontext der sicherheitskritischen automatisierten Fahrfunktionen ist die Sicherheit der GNSS-basierten Ortung relevant, um die Ortung vor der Manipulation durch gefälschte Navigationssatellitensignale zu schützen. Eine echtzeitige Detektion von GNSS-Spoofing wird daher insbesondere für das autonome Fahren als notwendig angesehen.
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Bei den bisherigen Verfahren wird ein GNSS-Spoofing beispielsweise
- - basierend auf der Leistungsgröße von Navigationssatellitensignalen,
- - basierend auf verschlüsselten Navigationssatellitensignalen,
- - mit Hilfe von einer inertialen Messeinheit (IMU),
- - basierend auf der Bestimmung der Position des GNSS-Empfängers mittels eines Hilfssignals, oder
- - basierend auf der Analysis der Carrier-to-Noise-Weret (CNO-Werten) von Navigationssatellitensignalen
detektiert.
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Allerdings ist die Verwendung der oben genannten Verfahren aufgrund der Vielfalt der GNSS-Spoofing-Methoden sehr eingeschränkt. Denn ein gefälschtes Navigationssatellitensignal kann z. B. ebenfalls eine Leistungsgröße oder eine Verschlüsselung wie ein authentisches Navigationssatellitensignal aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt eine neue Möglichkeit zum Detektieren von GNSS-Spoofing basierend auf dem Doppler-Effekt. Denn gefälschte Navigationssatellitensignale werden normalerweise durch eine Antennegesendet und alle kommen aus derselben Richtung, wohingegen die authentischen Navigationssatellitensignale aus verschiedenen Himmelsrichtungen aufgrund der Verteilung und der Bewegung von Navigationssatelliten kommen. Die Eintrittswinkel von Navigationssatellitensignalen sind somit durch die GNSS-Spoofing-Methoden sehr schwer zu simulieren. Diese Schwäche von GNSS-Spoofing kann zu ihrer Detektion gut genutzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Hiervon ausgehend wird hier ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Detektieren von GNSS-Spoofing in einem GNSS-Empfänger eines Lokalisierungssystems beschrieben.
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Hier beschrieben wird ein Verfahren zum Detektieren von GNSS-Spoofing mittels eines GNSS-Empfängers eines Lokalisierungssystems, wobei der GNSS-Empfänger eine Antenne zum Empfang von GNSS-Signalen umfasst, und wobei die GNSS-Signale von mindestens einem GNSS-Satelliten ausgesendet und jeweils um eine Frequenzdifferenz verschoben von dem GNSS-Empfänger empfangen werden, umfassend folgende Schritte:
- a) Empfangen eines GNSS-Signals durch die Antenne,
- b) Erfassen der Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des von einem GNSS-Satelliten ausgesendeten GNSS-Signals und der Frequenz des von der Antenne empfangenen GNSS-Signals,
- c) Ermitteln der Änderungsrate der Frequenzdifferenz unter Verwendung einer Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers,
- d) Prüfen, ob die ermittelte Änderungsrate einer für einen Satellitensignalempfang charakteristischen Änderungsrate entspricht, und
- e) Detektieren von GNSS-Spoofing, wenn die ermittelte Änderungsrate nicht zu einem Satellitensignalempfang passt.
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Das beschriebene Verfahren ist insbesondere zum autonomen Fahren geeignet. Dabei meint das autonome Fahren hier insbesondere die Fortbewegung von Fahrzeugen, mobilen Robotern und fahrerlosen Transportsystemen (z. B. Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe), die sich mittels eines GNSS-Empfängers und basierend auf Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) weitgehend autonom verhalten. Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein selbst fahrendes Kraftfahrzeug mit einem Lokalisierungssystem mit einem solchen GNSS-Empfänger zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens versehen ist.
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Die globalen Navigationssatellitensysteme sind beispielweise
- - NAVSTAR GPS (Global Positioning System) der Vereinigten Staaten von Amerika,
- - GLONASS (Globales Satellitennavigationssystem) der Russischen Föderation,
- - Galileo der Europäischen Union, und
- - Beidou der Volksrepublik China.
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Das GNSS-Signal meint hier insbesondere das Signal, das von einem Satelliten eines Globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) gesendet wird. Der Empfang und die Auswertung des GNSS-Signals ist bei einem Hardware GNSS-Empfänger fest verbunden.
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Der Begriff „GNSS-Spoofing“ meint hier insbesondere, die Ausstrahlung gezielt manipulierter GNSS-Signale, um in einem GNSS-Empfänger die berechnete Zeit und/oder den Ort zu manipulieren. Das GNSS-Spoofing-Signal ist ein nach dem GNSS-Signal simuliertes Täuschungssignal, dessen eigene Identität durch eine Täuschungsmethode verschleiert wird. Die Auswertung des GNSS-Spoofing-Signals liefert somit eine falsche Positionierung.
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Die physikalische Grundlage zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist der Doppler-Effekt, welcher die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger während der Übertragung des Signals darstellt. Denn das globale Navigationssatellitensystem ist ein bewegtes System mit den Bewegungen seiner Satelliten und auch des GNSS-Empfängers, daher unterliegt das empfangene GNSS-Signal durch diese Bewegungen dem Doppler-Effekt, sodass das ausgesendete GNSS-Signal um die Dopplerfrequenz verschoben empfangen wird. Das bedeutet mit anderen Worten, dass sich die Frequenz des gesendeten GNSS-Signals von der Frequenz des empfangenen GNSS-Signals unterscheidet, wobei die Dopplerfrequenz der Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des gesendeten GNSS-Signals und der Frequenz des empfangenen GNSS-Signals entspricht. Diese Dopplerfrequenz ändert sich darüber hinaus mit der Änderung der relativen Bewegung zwischen dem GNSS-Signal-Sender und dem GNSS-SignalEmpfänger. Außerdem sind die Position und die Bewegung eines GNSS-Satelliten beispielsweise durch Ephemeriden bestimmbar und die Bewegung des GNSS-Empfängers ist beispielsweise durch Bewegungssensorik, wie inertiale Messeinheit, Gyroskop oder Lenkradwinkelsensorik, bestimmbar, sodass die zu erwartende Dopplerfrequenz und deren Änderung durch die bestimmbare Bewegung des GNSS-Satelliten und des GNSS-Empfänger ebenfalls bestimmbar ist. Es wird daher ein mögliches GNSS-Spoofing aufgedeckt, wenn sich die Dopplerfrequenz und deren Änderung nicht wie erwartet verhalten.
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Um ein mögliches GNSS-Spoofing zu detektieren, wird hierbei nach dem Empfang eines GNSS-Signals in Schritt a) die oben beschriebene Dopplerfrequenz in Schritt b) erfasst. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die in Schritt b) erfasste Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des von einem GNSS-Satelliten ausgesendeten GNSS-Signals und der Frequenz des von der Antenne empfangenen GNSS-Signals im Wesentlich eine Dopplerfrequenz ist, welche aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem GNSS-Satelliten und dem GNSS-Empfänger entsteht. Die Frequenzdifferenz wird im Folgenden als Dopplerfrequenz bezeichnet.
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In Schritt b) kann die Dopplerfrequenz z. B. mit einer frequenzverriegelten Schleife (Englisch: Frequency Locked Loop FLL) ermittelt werden. Je nach der Satellitenbewegung weist das empfangene GNSS-Signal eine satellitenspezifische Dopplerfrequenz auf. Diese ist davon abhängig, ob der GNSS-Satellit sich gerade dem GNSS-Empfänger nähert oder sich von ihm entfernt. Da die Bahnen von GNSS-Satelliten bekannt sind, lässt sich die Dopplerfrequenz vom GNSS-Empfänger prädizieren. Dabei wird geprüft, ob die Dopplerfrequenz plausibel ist. Dies kann mit der Kenntnis der ungefähren Position des GNSS-Empfängers (z.B.: Abweichung der angenommenen Position zur tatsächlichen Position ist kleiner als 1km) und der Kenntnis der Position des GNSS-Satelliten über die Zeit unter Zuhilfenahme z.B. des Almanachs und/oder der Ephemeriden erfolgen. Aus der Kenntnis der Position und der Bewegung des GNSS-Satelliten bezüglich der ungefähren Position des GNSS-Empfängers lässt sich die zu erwartende Dopplerfrequenz erfassen, welche sich aufgrund der relativen Bewegung zwischen des GNSS-Satelliten im Himmel bzw. im Orbit und des GNSS-Empfängers auf der Erde ergibt.
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In Schritt c) wird die Änderungsrate der Frequenzdifferenz unter Verwendung einer Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers ermittelt. Hierbei wird ermittelt, wie die Änderung der in Schritt b) erfassten Dopplerfrequenz von der Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers abhängt. Die Bewegungsänderungsinformation beschreibt, wie sich die Bewegung des GNSS-Empfängers innerhalb eines Zeitintervalls ändert. Eine solche Bewegungsänderung kann mathematisch beispielweise die Ableitung 2. Ordnung des Verschiebungsvektors nach der Zeit oder die Ableitung 1. Ordnung des Verschiebungsvektors nach einem Lenkwinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des GNSS-Empfängers bedeuten. Die Bewegungsänderung kann beispielweise eine beschleunigte und/oder eine richtungsändernde Bewegung des GNSS-Empfängers sein.
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Die Bewegungsänderungsinformation in Bezug auf den GNSS-Empfänger ist insbesondere vorteilhaft für den Schutz vor GNSS-Spoofing, weil die Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers nicht (oder schwer) vom Spoofer simuliert wird. Denn es ist technisch recht schwierig, als Spoofer die Bewegung eines speziell ausgewählten Ziel-Empfängers live im allgemeinen Fall zu ermitteln und diese Information passend im gespooften Signal unterzubringen.
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In Schritt d) wird geprüft, ob die die ermittelte Änderungsrate einer für einen Satellitensignalempfang charakteristischen Änderungsrate entspricht.
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Beim GNSS-Spoofing werden die gefälschten GNSS-Signale typischerweise von einem Standort ausgestrahlt. Dies unterscheidet sich grundlegend von der Art und Weise, wie die authentischen Signale abgestrahlt werden, da die Ausstrahlung authentischer GNSS-Signale via Satelliten erfolgt, welche aus Sicht des Empfängers am Himmel etwa gleichmäßig verteilt sind. Dies ist so gewünscht, um durch eine vorteilhafte Satellitengeometrie geringe DOP-Werte und damit höhere Positionsgenauigkeiten zu erreichen. Authentische GNSS-Signale treffen daher aus verschiedenen Himmelsrichtungen auf den GNSS-Empfänger ein. Im Gegensatz dazu werden die durch GNSS-Spoofing gefälschten GNSS-Signale aus der Richtung einer abstrahlenden Antenne empfangen. Die Empfangsrichtungen authentischer GNSS-Signale sind damit signifikant vielfältiger. Die Änderungsrate der Dopplerfrequenz im Fall des GNSS-Spoofing ist somit anders als im authentischen Fall.
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Die Änderungsrate der Dopplerfrequenz ist mathematisch beispielsweise die Ableitung 1. Ordnung der Dopplerfrequenz nach der Zeit. Die echtzeitige Änderungsrate (Ist-Änderungsrate) kann somit gemäß dem empfangenen Signal durch ein Steuergerät erfasst werden. Darüber hinaus bewegen sich die Satelliten eines GNSS nur nach einem bestimmten Bewegungsmuster, welches vorher bestimmbar ist. Nach dem Bewegungsmuster der Satelliten kann hierbei eine Soll-Änderungsrate erfasst werden.
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In Schritt e) wird ein GNSS-Spoofing detektiert, wenn die ermittelte Ist-Änderungsrate nicht mit der ermittelten Soll-Änderungsrate übereinstimmt. Das bedeutet mit anderen Worten, dass ein GNSS-Spoofing detektiert wird, wenn die die ermittelte Änderungsrate nicht zu einem Satellitensignalempfang passt.
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Hierbei können sich die Dopplerfrequenzen der empfangenen gefälschten GNSS-Signalen etwa gleichartig ändern, wenn beispielsweise ein mit dem GNSS-Empfänger versehenes Kraftfahrzeug beschleunigt. Denn die gefälschten GNSS-Signale werden wie weiter oben beschrieben etwa alle aus derselben Richtung unter Einfluss der Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers empfangen und der Spoofer simuliert die Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers normalerweise nicht. Demgegenüber ändern sich die Doppelfrequenzen der authentischen GNSS-Signale aufgrund ihrer verschiedenen Eintrittswinkel unterschiedlich.
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Es ist bevorzugt, wenn in Schritt b) die Frequenzdifferenz und in Schritt c) die Änderungsrate der Frequenzdifferenz unter Verwendung eines auf künstlicher Intelligenz basierenden Algorithmus ermittelt werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Ermittlung der Frequenzdifferenz nach der Position der Satelliten und des GNSS-Empfängers durch Maschinelles Lernen erfolgt, weil das maschinelle Lernen bei der Ermittlung der Frequenzdifferenz eine ausgezeichnete Genauigkeit und ein ständiges automatisches Verbesserungspotential hat. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Ermittlung der Änderungsrate der Dopplerfrequenz mittels der Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers durch maschinelles Lernen erfolgt. Dabei können typische Dopplerbeeinflussungen durch die Bewegungsänderungen des GNSS-Empfängers erlernt werden, somit kann eine als atypisch detektierte Doppler-Reaktion bei Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers entsprechend auf ein gefälschtes GNSS-Signal hinweisen.
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Es ist bevorzugt, wenn in Schritt b) die Frequenzdifferenz unter Berücksichtigung des Uhrfehlers des GNSS-Empfängers und/oder der Bewegung von mindestens einem GNSS-Satelliten erfasst wird.
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Das Positionieren und Navigieren basiert zusätzlich auf der Zeitsynchronisation zwischen einem GNSS-Satelliten und einem GNSS-Empfänger, indem die Distanz zwischen dem GNSS-Satelliten und den GNSS Empfänger durch die Laufzeit der GNSS-Signalübertragung bestimmt wird. Allerdings verwendet ein GNSS-Empfänger meistens eine Quarzuhr, deren Uhrfehler signifikant größer als der Uhrfehler einer Atomuhr in dem GNSS-Satelliten ist, was zu einer Abweichung zur Erfassung der erwarteten Dopplerfrequenz des empfangenen GNSS-Signals führen kann. Diese Abweichung wird als eine Störgröße berücksichtigt. Darüber hinaus muss die Charakteristik des Empfänger-Uhrenfehlers hinreichend genau bekannt und erfassbar sein, damit das hier beschriebene Detektionsverfahren aus derzeitiger Sicht robust funktionieren kann. Andernfalls ist die hier zur Spoofing-Detektion genutzte mittlere Doppleränderungsrate ggf. nicht von einem Drift der Empfängeruhr unterscheidbar.
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Außerdem können die zusätzlichen Abweichungen der GNSS-Satellitenbahn und der GNSS-Satellitenuhr die Genauigkeit zur Erfassung der erwarteten Dopplerfrequenz bewirken. Es ist bevorzugt, wenn die präzisen Ephemeriden bzw. Uhrkorrektionen beispielsweise vom International GNSS Service (IGS) heruntergeladen und in einer Datenbank gespeichert werden können. Diese werden insbesondere zur Korrektur von Satellitenuhr und Orbit angewendet.
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Hier können beispielsweise die empfangenen GNSS-Signale mit den Methoden der künstlichen Intelligenz verarbeitet werden, z.B. mittels eines Neuronalen Netzes (Abk: NN). Im NN können die erwarteten Dopplerfrequenzen mittels der in einer Datenbank gespeicherten GNSS-Informationen wie z. B. die präzisen Ephemeriden bzw. Uhrkorrektionen und unter Berücksichtigung der Bewegungsinformation des GNSS-Empfängers ermittelt und/oder verarbeitet werden. Dabei kann die Bewegungsinformation
auch mittels einer inertialen Messeinheit (IMU) erfasst werden. Neben den präzisen Ephemeriden ist es auch denkbar, die Broadcast-Ephemeriden der GNSS anzuwenden.
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Es ist bevorzugt, wenn in Schritt c) die Änderungsrate der Frequenzdifferenz basierend auf einer beschleunigten und/oder auf einer richtungsändernden Bewegung des GNSS-Empfängers erfasst wird.
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Es ist insbesondere bevorzugt, wenn in Schritt c) die Änderungsrate der Frequenzdifferenz zu einem Zeitpunkt erfasst und/oder über ein Zeitintervall gemittelt erfasst wird.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn der Zeitpunkt einem Zeitpunkt vor oder nach der Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers und/oder das Zeitintervall der Dauer der Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers entspricht.
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Hierbei können die Änderungsrate der Frequenzdifferenz beispielsweise vor und nach einer Beschleunigung des GNSS-Empfängers erfasst werden. Die Änderungsrate der Frequenzdifferenz kann beispielsweise auch bei einer Beschleunigung des GNSS-Empfängers erfasst werden. Sind die Dopplerfrequenzen der empfangenen GNSS-Signale nach dem Abzug von Störgrößen wie z. B. des Uhrfehlers und der Bewegung der GNSS-Satelliten sowie der Abweichung der GNSS-Satellitenbahnen im Ergebnis etwa gleich groß (inkl. gleiches Vorzeichen), so handelt es sich vermutlich um ein GNSS-Spoofing.
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Die Realisierung kann erfolgen z.B. mittels Logging von:
- - Dopplerfrequenz der jeweiligen empfangenen GNSS-Signale, und
- - Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des GNSS-Empfängers
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Die geloggten Werte können zeitnah ausgewertet werden. Z. B. werden in den geloggten Daten Werte vor und nach Beschleunigungsvorgängen gesucht bzw. selektiert und für die getrackten Signale jeweils die Differenz des Dopplers vor und nach dem Beschleunigungsvorgang gebildet.
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Die Änderungsrate der Frequenzdifferenz kann darüber hinaus vor und nach einer richtungsändernden Bewegung des GNSS-Empfängers erfasst werden. Die Vorgehensweise ist analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise vor und nach der Beschleunigung. Hierbei können beispielsweise eine relative und/oder eine absolute Bewegungsrichtung geloggt werden, wobei die relative Bewegungsrichtung durch beispielsweise ein Gyroskop oder eine LenkradwinkelSensorik und die absolute Bewegungsrichtung durch einen Kompass erfasst wird. Die Änderung der Bewegungsrichtung wird bevorzugt betrachtet, wenn ein Änderungswinkel über 90° beträgt und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des GNSS-Empfängers über 10m/s beträgt.
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Um die Genauigkeit weiter zu steigern, können die oben beschriebenen Abweichungen vor oder nach oder während der Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers berücksichtigt werden (z.B. Doppler-Drift durch Änderung der Satellitenposition in Bezug auf Empfängerposition bei nicht-Änderung des Empfänger-Bewegungszustands und/oder durch Uhrfehler). Hierbei können die Abweichungen aus den geloggten dopplerrelevanten Werten an den zugehörigen relevanten Zeitpunkten subtrahiert werden.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Dopplerfrequenz während der beschleunigten und/oder der richtungsändernden Bewegung des GNSS-Empfängers zeitlich gemittelt erfasst wird. Somit kann das Rauschen in den Messungen reduziert werden.
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Es ist bevorzugt, wenn Schritt a) bis Schritt c) mehrfach vor Schritt d) zumindest teilweise parallel oder nacheinander wiederholt durchgeführt werden, und wobei in Schritt a) GNSS-Signale von mindestens zwei GNSS-Satelliten empfangen werden.
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Jedes globale Navigationssatellitensystem verfügt über eine Vielzahl von Satelliten (z. B. Galileo mit 28 Satelliten, GPS mit 24 Satelliten), die gleichmäßig am Himmel bzw. am Orbit verteilt sind und sich nach einem vorbestimmtem Bewegungsmuster bewegen. Wenn das Lokalisierungssystem gleichzeitig vier GNSS-Signale aus demselben GNSS empfängt, kann eine direkte Positionierung ohne weiteres Hilfsmittel erfolgen. Darüber hinaus umfasst das heutige Lokalisierungssystem eine Vielzahl von GNSS-Empfängern, die jeweils weiterhin mindesten einen, z. B. zwei oder drei GNSS-Signalübertragungskanäle umfassen. Somit ist das heutige Lokalisierungssystem fähig, GNSS-Signale auch (gleichzeitig) aus unterschiedlichen GNSS zu empfangen und zu verarbeiten.
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Es ist daher vorteilhaft, wenn die Dopplerfrequenzen der GNSS-Signale von verschiedenen GNSS-Signalen durch wiederholte Durchführungen von Schritt a) bis Schritt c) ermittelt werden. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn Schritt a) bis Schritt c) zeitgleich durchgeführt werden, wenn die GNSS-Signale aus demselben GNSS empfangen werden. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn Schritt a) bis Schritt c) nacheinander durchgeführt werden, wenn die GNSS-Signale aus unterschiedlichen GNSS empfangen werden.
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Es ist bevorzugt, wenn in Schritt d) das GNSS-Spoofing basierend auf einer gemittelten Änderungsrate und/oder auf einer Varianz detektiert wird.
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Es ist Insbesondere bevorzugt, wenn in Schritt d) ein GNSS-Spoofing detektiert wird, wenn die gemittelte Änderungsrate einen vorbestimmbaren ersten Referenzwert überschreitet.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn in Schritt d) ein GNSS-Spoofing detektiert wird, wenn die Varianz einen vorbestimmbaren zweiten Referenzwert nicht überschreitet.
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Wie weiter oben beschrieben, kommen die authentischen GNSS-Signale aus unterschiedlichen Himmelrichtungen, sodass die Änderungsraten der Dopplerfrequenzen der authentischen GNSS-Signale bei der Mittelung gegenseitig ausgeglichen werden können, und sodass die gemittelte Änderungsrate der Dopplerfrequenzen der authentischen GNSS-Signale einen sehr kleinen Wert gegen Null aufweist.
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Demgegenüber kommen die gefälschten GNSS-Signale aus gleicher Richtung, sodass sich die Änderungsraten der Dopplerfrequenzen der gefälschten GNSS-Signale gleichartig verhalten und bei der Mittelung nicht gegenseitig ausgeglichen werden können, und sodass die gemittelte Änderungsrate der Dopplerfrequenzen der gefälschten GNSS-Signale einen relativ großen Wert aufweist, welcher signifikant größer als Null ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein erster Referenzwert als Schwellenwert vorab bestimmt wird. Wenn die gemittelte Änderungsrate den ersten Referenzwert überschreitet, zeigt diese Überschreitung ein GNSS-Spoofing auf. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der erste Referenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsänderung des GNSS-Empfängers vor und nach ihrer Beschleunigung bestimmt wird.
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Analog zu der gemittelten Änderungsrate kann ein GNSS-Spoofing hierbei auch durch die Bestimmung der Varianz detektiert werden. Dabei entspricht die Varianz der mittleren quadratischen Abweichung der Änderungsraten der Dopplerfrequenzen der GNSS-Signale von ihrer gemittelten Änderungsrate. Wenn die Varianz einen sehr kleinen Wert, z. B. gegen Null aufweist, bedeutet dies, dass die GNSS-Signale aus gleicher Richtung kommen und ein GNSS-Spoofing somit detektiert wird. Das bedeutet, dass ein mögliches GNSS-Spoofing detektiert wird, wenn die Varianz beispielsweise bei der Beschleunigung des GNSS-Empfängers nicht zunimmt und den Schwellenwert nicht überschreitet.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein zweiter Referenzwert als Schwellenwert vorab bestimmt wird. Wenn die Varianz den zweiten Referenzwert nicht überschreitet, zeigt es ein GNSS-Spoofing. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der zweite Referenzwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsänderung des GNSS-Empfängers vor und nach ihrer Beschleunigung bestimmt wird.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn in Schritt d) ein GNSS-Spoofing detektiert wird, wenn der Quotient der gemittelten Änderungsrate zu der Varianz einen dritten vorbestimmbaren Referenzwert überschreitet.
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Mit dem beschriebenen Verfahren kann darüber hinaus die ungefähre Position des Spoofers verfolgt werden. Dabei lässt sich die Position des Spoofers mittels Crowd-Sourcing in Form von entsprechend zusammengeführten Daten in einem Server-System oder durch eine Kraftfahrzeug-Kooperation und unter Zuhilfenahme der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs (z.B. aus Kompass und Längs-Beschleunigung) eingrenzen. Wird bei Bewegungsänderung des GNSS-Empfängers eine signifikante gleichartige Änderung der Dopplerfrequenz für mehrere empfangenen GNSS-Signalen aus verschiedenen Satelliten erkannt, so lässt sich die Empfangsrichtung des gefälschten GNSS-Signals aus der Beschleunigungsrichtung des GNSS-Empfängers und dem Vorzeichen der Dopplerfrequenz bestimmen. Wird die Auswirkung auf die Dopplerfrequenz-Änderung an verschiedenen Positionen gemessen, lässt sich damit die Position des Spoofers eingrenzen.
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Es ist bevorzugt, wenn ein Computerprogramm zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens angewandt wird. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programmes durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Es ist insbesondere bevorzugt, wenn ein maschinenlesbares Speichermedium angewandt wird, auf dem das hier vorgeschlagene Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn das Lokalisierungssystem für ein Fahrzeug, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die hier vorgestellte Verfahren sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt schematisch:
- 1 einen Ablauf eines hier vorgestellten Verfahrens zum Detektieren von GNSS-Spoofing in einem GNSS-Empfänger eines Lokalisierungssystems bei einem regulären Betriebsablauf.
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1 zeigt schematisch einen Ablauf eines hier vorgestellten Verfahrens zum Detektieren von GNSS-Spoofing in einem GNSS-Empfänger eines Lokalisierungssystems bei einem regulären Betriebsablauf. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b), c), d) und e) mit den Blöcken 110, 120, 130, 140 und 150 ist lediglich beispielhaft. Im Block 110 erfolgt ein Empfangen eines GNSS-Signals durch die Antenne. Im Block 120 erfolgt ein Erfassen der Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des von einem GNSS-Satelliten ausgesendeten GNSS-Signals und der Frequenz des von der Antenne empfangenen GNSS-Signals. Im Block 130 erfolgt ein Ermitteln der Änderungsrate der Frequenzdifferenz unter Verwendung einer Bewegungsänderungsinformation des GNSS-Empfängers. Im Block 140 erfolgt ein Prüfen, ob die ermittelte Änderungsrate einer für einen Satellitensignalempfang charakteristischen Änderungsrate entspricht. Im Block 150 erfolgt ein Detektieren von GNSS-Spoofing, wenn die die ermittelte Änderungsrate nicht zu einem Satellitensignalempfang passt.
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Insbesondere können die Verfahrensschritte a) bis c) zum Ermitteln der Änderungsrate der Frequenzdifferenz von mehreren verschiedenen GNSS-Signalen zumindest mehrfach, teilweise parallel oder zeitgleich ablaufen.
