Im Bericht zu Navigation Warfare im Truppendienst 12/2017 erklärt Vizeleutnant Herbert Kröll die möglichen Gefahren eines Teil- oder Totalausfalls des GPS Signals und die Auswirkungen auf militärische und zivile Anwendungen.
Die Forderung ausreichend genauer Positionsbestimmung, Navigation und Zeitfestlegung ist eine unabdingbare Voraussetzung zur Einsatzfähigkeit der meisten Waffensysteme. Diese kann nur durch ein funktionierendes Navigationssystem gewährleistet werden. Die einsatzraumbezogene Störung von satellitengestützten Positions-, Navigations- und Zeitinformationen durch einen Gegner ist Ziel von Navigation Warfare.
Navigationssysteme oder GNSS (Global Navigation Satellite System) umspannen heute den gesamten Globus. Sie dienen der Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde, zur See und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten (terrestrische Sender, wie Satelliten, die Signale aussenden).
Ursprünglich als militärisches System für Waffensysteme, Kriegsschiffe oder Kampfflugzeuge zur weltweiten Positionsbestimmung geplant, sind sie mittlerweile zum Nutzen für Jedermann geworden. Der Start des ersten Satelliten erfolgte im Jahr 1978, die offizielle Inbetriebnahme fand erst 1995 statt. Mittlerweile sind auch das russische „GLONASS“, das chinesische „COMPASS“ oder das nur Indien abdeckende IRNSS in Betrieb. Europa baut seit Jahren sein eigenes System unter dem Namen „Galileo“ auf. Siehe dazu auch TD-Heft 2/2017 (Nr. 356).
Unter den Begriff GPS fällt nur das US-amerikanische System „NAVSTAR-GPS“ (Navigation System using Timing and Ranging – Global Positioning System). Dieses die Welt umspannende System ist das bekannteste und wird ebenso durch die Militärs in Europa genutzt. Für Navigation Warfare ist das GPS-System, im Vergleich zum europäischen Galileo, daher von weit größerer Bedeutung.
Beim GPS wird der Ort der Empfangsantenne auf der Erde durch Messung der Entfernung zu mehreren Satelliten bestimmt, die in einer Höhe von etwa 20.000 Kilometern um die Erde kreisen. Für eine Positionsbestimmung reicht ein Satellit nicht aus, weitere Entfernungsmessungen zu anderen Satelliten sind notwendig. Erst die kugelförmige Ausstrahlung von drei Satellitensignalen ergibt einen Schnittpunkt, der eine genaue Standortermittlung zulässt.
Das Signal des Satelliten breitet sich allerdings im Vakuum des Weltraumes anders aus als nach dem Eintritt in die Erdatmosphäre. Die Laufzeitverzögerung des Signales muss daher ebenfalls berücksichtigt werden, da sonst Messfehler von mehreren Metern die Folge wären. Um eine Distanzmessung zu ermöglichen, ist im Signal des Satelliten die GPS-Systemzeit im Moment der Sendung kodiert. Da die Empfängeruhr zunächst nicht genau mit der GPS-Zeit synchronisiert ist, wird diese Differenz als zusätzliche Unbekannte bei der Ortsbestimmung eingesetzt. Um die drei vorerst unbekannten Ortskoordinaten und eine Zeitkonstante zu bestimmen, wird die Entfernung zu einem vierten Satelliten benötigt. Damit kann durch die Berechnung von drei Orts- und einer Zeitgleichung der genaue Standort auf der Erdoberfläche errechnet werden.
Satellitennavigationssysteme bestehen im Wesentlichen aus dem Raum-, dem Boden- und dem Nutzersegment. Im Fall von GPS besteht das Raumsegment aus 24 aktiven und sieben Reservesatelliten, welche auf sechs Bahnebenen zu je vier Satelliten in rund 20 200 Kilometer Höhe um die Erde kreisen. Zur zivilen Nutzung wird auf der Frequenz L1 mit 1 575,42 MHz gesendet, für die militärische Nutzung wird die verschlüsselbare Frequenz L2 mit 1 227,60 MHz verwendet. Die Bezeichnung L weist auf das L-Band von 1 000 – 2 000 MHz hin. Auf der zivil genutzten Frequenz werden die Navigationsdaten und der Standardcode (C/A-Code) gesendet, auf der militärisch genutzten Frequenz wird der verschlüsselte und nicht öffentlich bekannte Präzisionscode (P-Code) gesendet.
Jedes dieser beiden Signale besteht aus der Trägerwelle, dem Code und den Navigationsdaten, wobei jeder Satellit im Signal dem Empfänger seine Bahndaten und den Sendezeitpunkt des Signals mitteilt. Um dabei zu unterscheiden, von welchem Satelliten das Signal stammt, wird für das GPS-Signal ein spezielles Modulationsverfahren verwendet, das die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme in einem Frequenzbereich ermöglicht. Damit kann jeder Satellit durch seine Codefolge unterschieden werden.
Moderne GPS-Empfänger können die Entfernung zum Satelliten beim Standardcode auf 2,93 m genau bestimmen. Für den ausschließlich militärischen Gebrauch kommt der verschlüsselte P/Y-Code mit einer um den Faktor zehn höheren Chiprate zum Einsatz. Damit ist bei der Abstandsmessung zum Satelliten eine Genauigkeit von etwa 30 cm möglich. Seit 2. Mai 2000 ist bis auf Weiteres die künstliche Verfälschung der vom Satelliten übermittelten Uhrzeit (S/A, Selective Availability), die bei zivilen GPS-Empfängern zu einer ungenaueren Positionsbestimmung geführt hat, abgeschaltet. Die aktuellen Positionierungsstandards umfassen Standard Positioning Service (SPS) für die zivile Nutzung und Precise Positioning Service (PPS) für die militärische Nutzung. Navigation Warfare wird den Sicherheitsstandard weiter erhöhen.
Störungen am Übertragungsweg
Die Sendeleistung der GPS-Satelliten ist wegen der begrenzten Energieversorgung ähnlich gering wie bei Fernsehsatelliten und beträgt etwa 50 Watt. Die große Empfängerbandbreite für beide Frequenzen und die unbekannte Richtung des Senders verursachen einen hohen Rauschanteil, sodass die gesuchten Signale im Rauschen untergehen. Das Signal muss deshalb mit der empfänger-eigenen Codefolge multipliziert werden, um es wieder aus dem Rauschen hervorzuheben. Zusätzlich können Störungen durch Mehrwegeausbreitung reflektierter Umwegesignale der nahen Umgebung auftreten. Durch einen geeigneten Aufstellungsort der Antenne und eine Abschirmung können diese jedoch verringert werden.
GPS-Jammer
Mit einem Störsender kann das GPS-Signal meist erfolgreich gestört bzw. blockiert werden. Da das GPS-Signal zur Navigation nur sehr schwach auf der Erde auftrifft, bedarf es zur Störung der Navigationssysteme am Boden nur eines schwachen Störsignales. Bereits ein kleiner GPS-Störsender kann das Signal im Umkreis von zehn Metern stören. Baupläne dafür findet man ausreichend im Internet. Damit ist die Ortung von Fahrzeugen mit einem GPS-Empfänger nicht mehr möglich und das Navigationssystem somit nicht mehr funktionsfähig.
Was im Falle reiner Navigation durch einen Blick in eine Karte behoben werden kann, kann bei militärischen Systemen, die von genauen Positions-, Navigations- und Zeitinformationen abhängig sind, weitreichende Folgen haben. Kommunikationssysteme wären dadurch nicht mehr in der Lage, in einer netzzentrierten Operationsführung Daten untereinander auszutauschen. Ebenso wären Waffensysteme, welche ihre Daten von zahlreichen Sensoren beziehen und auf die Zeitinformationen des GPS-Signals angewiesen sind, nicht mehr einsetzbar.
Den Gegner an der Nutzung von GPS zu hindern oder zumindest dessen Zugriff auf GPS-Daten einzuschränken, ist mittlerweile ein Teil einer erfolgreichen Kriegsführung geworden. Letztendlich kann dadurch die Waffenwirkung des Gegners erheblich vermindert werden. Navigation Warfare kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden und entweder durch Störung (Unterdrückung) oder durch Täuschung (Nachahmung) eines Satellitensignales erfolgen. Mögliche Folgen sind Eigengefährdung, Kollateralschäden und Führungsprobleme. Da das GPS-Signal oder auch das Signal anderer Navigationssysteme in einem Einsatzraum von allen genutzt werden kann, muss die Eigengefährdung bei Navigation Warfare immer berücksichtigt werden. In Zukunft sollen Eisenbahnen und Stadtbahnen durch satellitengestützte Navigation gesteuert werden, wodurch man sich Signalanlagen entlang der Strecke ersparen würde. Teils sind solche Streckenabschnitte auch schon im Testbetrieb. Ebenso könnten Autos zukünftig ohne Fahrer auskommen. Navigation Warfare hätte somit auch Auswirkungen auf die Nutzung von Navigationssystemen im öffentlichen Bereich und für jeden Einzelnen.
Störung (Rauschen/Jamming)
Durch Senden eines Störsignales auf der GPS-Trägerfrequenz kann der Navigationsinhalt nicht mehr herausgefiltert werden, da entweder kein oder nur ein schlechter Empfang gegeben ist.
Täuschung (Spoofing, Repeating, Meaconing)
Hierbei wird ein zur Verfügung stehendes Signal verändert, zeitversetzt ausgestrahlt oder neu generiert. Das Ziel ist eine Irreführung der von Positions-, Navigations- und Zeitinformationen abhängigen Systeme des Gegners.
Spoofing
Spoofing ist eine gezielte Manipulation von Daten. Hierbei können bestehende Signale verfälscht oder falsche Signale generiert werden, um dem Gegner trügerische Positions-, Navigations- und Zeitinformationen zu übermitteln. Entweder wird dabei ein Satellitensignal mit falschen Informationen künstlich verändert oder richtige Signale technisch umgeleitet. Der GPS-Empfänger nimmt dieses Signal als echte Nachricht auf und verarbeitet die fehlerhafte Information, was falsche Positions- oder Zeitangaben zur Folge hat. Dadurch werden Waffensysteme in ihrer Wirkung eingeschränkt oder Flugzeuge und Schiffe vom vorgesehenen Kurs weggeführt.
Repeating
Hierbei wird ein originales Satellitensignal aufgezeichnet und zeitversetzt und/oder mit höherer Leistung wieder ausgesendet. Das hat ebenfalls falsche Positions- oder Zeitangaben zur Folge.
Meaconing
Meaconing ist die gezielte Irreführung eines Nutzers durch ein mit falschen Informationen künstlich erzeugtes Satellitensignal. Dem Nutzen steht jedoch ein sehr hoher technischer Aufwand gegenüber. Für den zu störenden Nutzer wird dazu ein Zielverfolger (Tracker) benötigt und ein GPS-Signalsimulator zur Erzeugung des Pseudosignals. Die perfekte Nachbildung des Signals in Echtzeit ist dabei die größte Herausforderung, da die militärischen Codes in der Regel nicht bekannt sind. Gefährdet sind daher eher zivile GPS-Empfänger, deren Codes bekannt sind.
Analog zur Elektronischen Kampfführung (Electronic Warfare) gilt es auch bei der Navigation Warfare Schutzmaßnahmen zu treffen. Bei allen militärischen Nutzern von Empfangsanlagen, die sich auf satellitengestützte Positions-, Navigations- und Zeitinformationen abstützen, sollte das Bewusstsein über die Risiken ziviler GPS-Empfänger bzw. unverschlüsselter, militärischer GPS-Empfänger geschärft werden. Im Wesentlichen stützen sich diese Schutzmaßnahmen auf die Verwendung militärischer GPS-Empfänger mit einem aktuellen Crypto-Schlüssel und den Einsatz spezieller Antennentechnik.
Militärcode
Der Militärcode (M-Code) ist ein zukünftiges militärisches GPS-Signal. Er wurde als Schutz gegen „Jamming“ entwickelt, um einen sicheren militärischen Zugriff auf das GPS zu gewährleisten. Um die gesendete Frequenz von 5 115 MHz empfangen zu können, sind eigene Empfänger erforderlich. Der Militärcode wird dabei in den jeweiligen Einsatzraum vom Satelliten abgestrahlt. Dadurch erhöht sich die Signalstärke um 20 dB, wodurch das Signal etwa 100 Mal stärker als bisher auf der Erdoberfläche auftrifft. Um eine ausreichende Störwirkung zu erzielen, müssten somit wesentlich leistungsstärkere und somit auch größere Störsender gebaut werden.
Antennentechnik
Antennen, die eine geeignete Charakteristik zur Unterdrückung von Störsignalen aufweisen, können Störsignale unwirksam machen. Sie dämpfen Signale, die „von unten“ kommen oder eine kleine Elevation aufweisen. Technisch weniger anspruchsvoll ist der Einbau von sogenannten „Choke-Ringen“. Dabei werden speziell geformte Metallringe um die GPS-Empfangsantenne angebracht. Signale unterhalb eines bauartbestimmten Horizontalwinkels werden unterdrückt oder zumindest gedämpft. Einen weiteren Schutz bieten Mehrelementantennen (CRPA-Schutz, Controlled Reception Pattern Antenna), die aus mehreren GPS-Antennen und einer elektronischen Auswerteeinheit bestehen. Durch die elektronische Gewichtung der Empfangsdiagramme der Einzelantennen kann ein Störsignal erkannt und eine Nullstelle in Richtung des Störsenders ausgebildet werden. Störsignale aus dieser Richtung werden damit unterdrückt. Mit dieser Technik ist auch eine Mehrfachunterdrückung möglich.
Aufgrund ihres Gewichtes, Platz- und Energiebedarfes und nicht zuletzt wegen des hohen Preises, können Mehrelementantennen nur auf großen Plattformen verwendet werden. Für den Einsatz in einem tragbaren Empfänger ist ein Schutz durch CRPA im Moment untauglich.
Eine zukünftige Schutzmaßnahme könnten „Beamsteering, -forming-Antennen“ sein. Diese Empfangsantennen bilden „Keulen“ aus, die nur die jeweiligen genutzten Satelliten verfolgen. Signale aus anderen Richtungen werden nicht empfangen bzw. unterdrückt. Diese Technik wird derzeit erprobt, ist aber noch nicht serienreif. Die zurzeit beste, aber auch teuerste Schutzmaßnahme ist die Multisensortechnik (MTS). Dabei nutzt eine zentrale Navigationsanlage nicht nur satellitengenerierte Positions-, Zeit- und Navigationsinformationen, sondern erhält auch zusätzliche Navigationsdaten von anderen unabhängigen Systemen. Die unabhängigen Eingangssignale werden durch eine „Kalmanfilterung“ zusätzlich „gehärtet“, wodurch die Störresistenz deutlich erhöht wird. Im Moment steht diese Technik nur für große Waffensysteme wie Schiffe, Flugzeuge, Fahrzeuge etc. zur Verfügung.
GPS und andere weltweit militärisch und/oder zivil genutzte Positions-, Navigations- und Zeitsysteme werden auch in Zukunft von militärischen Aufgaben bestimmt sein. Der bisherige Nachteil der zivilen Nutzung lag darin, dass für diese nur die Frequenz des Trägers L1 zur Verfügung stand. Durch die Modernisierung wurde nun auch für die zivile Nutzung die Trägerfrequenz L2 zur Verfügung gestellt, um Entfernungsfehler durch die ionosphärischen Einflüsse zu eliminieren. Eine zusätzlich dritte Frequenz mit dem Träger L5 soll ebenfalls geschaffen werden.
Die höheren militärischen Forderungen bewirken eine Erweiterung der Signale in Anzahl und Informationsinhalt, ohne dass dadurch der zivile Dienst benachteiligt wird. Der bisher ausschließlich für militärische Aufgaben gesendete P/Y-Code wird noch einige Zeit bestehen bleiben. Mit der Einführung des neuen militärischen M-Codes werden weiterentwickelte GPS-Empfänger eingesetzt. Damit werden der Störschutz von GPS und die Sicherheit in der militärischen Nutzung der GPS-Signale vergrößert, da das militärische M-Code Signal abseits der anderen Codes liegt. Das Stören der zivilen Codes hat somit keinen Einfluss auf das militärische M-Code Signal.
Navigation hat weltweit sowohl zivil als auch militärisch einen sehr großen Stellenwert. GPS und gleichwertige Systeme sind dafür eine preiswerte und weltweit verfügbare Komponente. Besonders zivile Empfänger sind leichter stör- und auch leichter täuschbar. Simulatoren sind am Markt für jedermann verfügbar. Daher gewinnt auch Navigation Warfare immer mehr an Bedeutung. Soldaten, die Positions-, Navigations- und Zeitinformationen nutzen, sind daher besonders zu schulen. Dazu gehört auch, dass die gute alte Karte noch gelesen werden kann, um bei einem Ausfall des Systems oder einer Täuschung handlungsfähig zu bleiben.
Vizeleutnant Herbert Kröll ist Hauptlehrunteroffizier für Elektronische Kampfführung und Simulationssystem FASAN an der Führungsunterstützungsschule.