DE102021206181A1

DE102021206181A1 - Verfahren zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals

Info

Publication number: DE102021206181A1
Application number: DE102021206181.8A
Authority: DE
Inventors: Philip Wette
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals (1), umfassend zumindest folgende Schritte:a) Empfangen einer Mehrzahl von GNSS-Signalen (1, 2), die an verschiedenen Positionen in einem Umfeld um eine Eigenposition einer GNSS-Antenne (3) eintreffen,b) Ermitteln mindestens eines Eintreffwinkels (4) mindestens eines empfangenen GNSS-Signals (1, 2) unter Verwendung der in Schritt a) empfangenen Mehrzahl von GNSS-Signalen (1, 2),c) Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals (1), wenn der ermittelte Eintreffwinkel (4) nicht zu der erwarteten GNSS-Satellitenkonstellation passt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals, ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens, ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist sowie eine Lokalisierungseinrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Lokalisierungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Die Erfindung kann insbesondere bei GNSS-basierten Lokalisierungssystemen für das autonome oder teilautonome Fahren zur Anwendung kommen. Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine verteilte Erkennung von GNSS-Spoofing mittels Fahrzeugen ermöglichen.
Stand der Technik
Bei der GNSS-basierten Lokalisierung kann es zur gezielten Störung des GNSS-Empfangs bzw. der GNSS-Lokalisierung durch Dritte kommen. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang die Erzeugung und Übertragung manipulierter und/oder gefälschter GNSS-Signale bekannt, die allgemein auch als sogenanntes „Spoofing“ bezeichnet werden. Spoofing erfolgt insbesondere mit dem Ziel, einen GNSS-Empfänger in die Irre zu führen, möglicherweise ohne dass der GNSS-Empfänger den Angriff bemerkt. Bekannte Ansätze zum Erkennen von GNSS-Spoofing sind in der Regel kostenintensiv in der Umsetzung und/oder noch nicht robust genug für den Einsatz in modernen Fahrzeugen, die beispielsweise bereits für einen zumindest teilweise automatisierten Fahrbetrieb eingerichtet sind.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher das kostengünstige und robuste Erkennen von manipulierten oder gefälschten GNSS Signalen.
Offenbarung der Erfindung
Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Empfangen einer Mehrzahl von GNSS-Signalen, die an verschiedenen Positionen in einem Umfeld um eine Eigenposition einer GNSS-Antenne eintreffen,
b) Ermitteln mindestens eines Eintreffwinkels mindestens eines empfangenen GNSS-Signals unter Verwendung der in Schritt a) empfangenen Mehrzahl von GNSS-Signalen,
c) Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals, wenn der ermittelte Eintreffwinkel nicht zu der erwarteten GNSS-Satellitenkonstellation passt.

Die Schritte a), b) und c) können zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal und/oder wiederholt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können die Schritte a), b) und c), insbesondere die Schritte b) und c) zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere kann Schritt a) fahrzeugseitig bzw. mittels einer GNSS-Antenne (bzw. zumindest eines Teils eines GNSS-Empfängers) eines Fahrzeugs durchgeführt werden. Die Schritte b) und c) können ebenfalls fahrzeugseitig und/oder zumindest teilweise fahrzeugextern, wie beispielsweise von einer übergeordneten Verwaltungseinrichtung, die Daten von mehreren Fahrzeugen empfangen kann, durchgeführt werden.
Das Verfahren dient insbesondere zum (verteilten bzw. gemeinsamen) Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals mit mehreren Fahrzeugen. Die in Schritt a) genannte GNSS-Antenne betrifft dabei in der Regel die GNSS-Antenne des eigenen Fahrzeugs. Das Verfahren kann insbesondere zur verteilten (bzw. gemeinsamen) Erkennung von GNSS-Spoofing mittels Fahrzeugen beitragen bzw. dienen.
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise zur (maschinellen) Detektion von GNSS-Spoofing und/oder Meaconing beitragen. Beispielsweise kann es sich bei dem manipulierten oder gefälschten GNSS-Signal um ein solches Signal handeln, welches künstlich von einem (satellitenexternen) GNSS-Signalgenerator erzeugt und insbesondere alternativ oder zusätzlich zu (Original-)Satellitensignalen an GNSS-Empfänger ausgesendet wird. Dabei kann der GNSS-Signalgenerator zum Beispiel verwendet werden, um GNSS-Signale vollständig zu simulieren und/oder mindestens ein Signal empfangenen GNSS-Signalen in einem Meaconing-Szenario hinzuzufügen. Das Verfahren kann beispielhaft dazu beitragen Meaconing-Angriffe zu erkennen, bei denen empfangene GNSS-Signale weitergesendet werden. Das Verfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann das Verfahren in vorteilhafter Weise dazu beitragen zu erkennen, ob derzeit (allgemein) ein Spoofing von GNSS-Signalen stattfindet.
Das Verfahren dient insbesondere zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals im Rahmen einer (zumindest auch) auf GNSS-Daten basierenden (Eigen-)Lokalisierung eines (Kraft-)Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang trägt das Verfahren insbesondere zur Verbesserung der Genauigkeit und/oder Verlässlichkeit des Positionsergebnisses der Fahrzeugposition bei. Insbesondere kann eine ggf. vorliegende Manipulation der Fahrzeugposition aus der Eigenlokalisierung erkannt bzw. entdeckt werden. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Automobil handeln, welches vorzugsweise für einen zumindest teilweise automatisierten und/oder autonomen Fahrbetrieb eingerichtet ist.
In Schritt a) erfolgt ein Empfangen einer Mehrzahl von GNSS-Signalen, die an verschiedenen Positionen in einem Umfeld um eine Eigenposition einer GNSS-Antenne eintreffen. Dabei können grundsätzlich (Original-)GNSS-Signale von einem oder mehreren GNSS-Satelliten (zum Beispiel von Satelliten der Dienste GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, etc.) von der (eigenen) GNSS-Antenne empfangen werden. Weiterhin können dabei manipulierte oder gefälschte GNSS-Signale von der (eigenen) GNSS-Antenne empfangen werden, beispielsweise solche, die von einer Spoofing-Einrichtung ausgesendet werden. Weiterhin können zumindest auch solche (originale oder manipulierte bzw. gefälschte) Signale empfangen werden, die zuvor von einem anderen (ortsfesten oder ortsvariablen bzw. entlang der Erdoberfläche bewegbaren) GNSS-Empfänger bzw. einer anderen GNSS-Antenne im Umfeld der (eigenen) GNSS-Antenne empfangen wurden. Diese Signale können beispielsweise anschließend an die (eigene) GNSS-Antenne und/oder eine damit verbundene Verarbeitungseinrichtung (z.B.: Steuergerät) bzw. Lokalisierungseinrichtung weitergeleitet werden (und beispielhaft so in Schritt a) empfangen werden). Entsprechende GNSS-Empfänger bzw. andere GNSS-Antennen im Umfeld der (eigenen) GNSS-Antenne können beispielsweise in oder an (anderen) Fahrzeugen im Umfeld der GNSS-Antenne oder an Infrastrukturelementen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können GNSS-Signale berücksichtigt werden, die von derselben (eigenen) GNSS-Antenne an verschiedenen Positionen im Umfeld um die momentane Eigenposition und/oder zu verschiedenen Zeitpunkten empfangen wurden bzw. werden (virtual antenna array).
In Schritt b) erfolgt ein Ermitteln, insbesondere Schätzen bzw. Berechnen mindestens eines Eintreffwinkels mindestens eines empfangenen GNSS-Signals unter Verwendung der in Schritt a) empfangenen Mehrzahl von GNSS-Signalen. Der mindestens eine Eintreffwinkel kann beispielsweise den Azimut und/oder Elevationswinkel des betreffenden GNSS-Signals umfassen. Es können zu mehreren oder allen GNSS-Signalen aus der Mehrzahl von GNSS-Signalen die jeweiligen Eintreffwinkel ermittelt werden. Zum Ermitteln des mindestens einen Eintreffwinkels kann eine Übertragung von empfangenen GNSS-Signalen von einem Fahrzeug an mindestens ein weiteres Fahrzeug erfolgen. Insbesondere zum Ermitteln des mindestens einen Eintreffwinkels ein Verteilen von empfangenen GNSS-Signalen an umliegende Fahrzeuge durchgeführt werden, insbesondere mit dem Ziel mit mehreren Fahrzeugen ein sogenanntes GNSS-Antennen-Array zu bilden, welches vorzugsweise dazu in der Lage ist, den Eintreffwinkel (Angle-of-Arrival) eines empfangenen Signals zu berechnen.
In Schritt c) erfolgt ein Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals, wenn der ermittelte Eintreffwinkel nicht zu der erwarteten GNSS-Satellitenkonstellation passt. Die erwartete GNSS-Satellitenkonstellation kann sich beispielsweise aus hinterlegten bzw. festgelegten Daten ergeben, welche die jeweiligen, momentanen Positionen der GNSS-Satelliten beschreiben. Entsprechende Daten können beispielsweise Ephemeriden-Daten und/oder Almanach-Daten umfassen. Mit dem ermittelten Eintreffwinkel (Angle-of-Arrival) kann vorteilhaft zuverlässig bestimmt werden, ob das empfangene Signal von einem legitimen Absender des Signals (den Satelliten) oder aber von einem Spoo⌷ng-Gerät stammt. Beispielsweise kann für die erwartete GNSS-Satellitenkonstellation ein Mindest-Eintreffwinkel und/oder ein erwarteter Eintreffwinkel-Bereich und/oder ein erwarteter Eintreffwinkel bestimmt werden. Insbesondere wenn der ermittelte Eintreffwinkel flacher bzw. kleiner (im Vergleich zur Horizontalen) ist als der Mindest-Eintreffwinkel und/oder außerhalb des erwarteten Eintreffwinkel-Bereichs liegt und/oder signifikant (mindestens 10% oder mindestens 20%) von dem erwarteten Eintreffwinkel abweicht, kann auf ein manipuliertes oder gefälschtes GNSS-Signal bzw. den Einsatz eines Spoofing-Geräts rückgeschlossen werden.
In einem Schritt d) kann ein Anpassen einer zumindest auch GNSS-basierten Lokalisierung in Abhängigkeit davon erfolgen, ob bzw. wenn in Schritt c) ein manipuliertes oder gefälschtes GNSS-Signal erkannt wurde. Dabei kann beispielsweise eine (Herab-)Gewichtung der GNSS-basierten Lokalisierung (zum Beispiel gegenüber auch verwendeten, GNSS-unabhängigen Lokalisierungsmethoden) erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können Signale, die als manipuliert oder gefälscht erkannt wurden, von der Lokalisierung ausgeschlossen werden.
Ein Vorteil des Verfahrens kann insbesondere auch darin gesehen werden, dass es mit Hardware ausgeführt werden kann, die sich üblicherweise bereits an Bord moderner Fahrzeuge befindet, wie etwa GNSS-Sensor, GNSS-Antenne, V2X bzw. Mobilfunk. Somit ist das Verfahren vorteilhaft kostengünstig und mit geringem Integrationsaufwand anwendbar.
Ein Fahrzeug, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist bzw. an einer Durchführung des Verfahrens teilnimmt, hat vorzugsweise mindestens eine Kommunikationseinrichtung (V2X bzw. Mobilfunk), um Informationen von anderen Fahrzeugen und/oder von Infrastruktur-Elementen und/oder von einer Cloud zu empfangen. Darüber hinaus weist ein solches Fahrzeug üblicherweise mindestens einen GNSS-Sensoren auf, mit dem GNSS-Signale empfangen werden können. Weiterhin kann ein solches Fahrzeug beispielsweise mindestens einen Umfeldsensor (Kamera, LIDAR, RADAR und/oder Ultraschall) aufweisen, mit dem beispielsweise der relative Abstand zwischen Fahrzeugen bestimmt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt a) zumindest auch GNSS-Rohsignale empfangen werden, die von GNSS-Empfängern empfangen und weitergeleitet wurden, die sich im Umfeld um die Eigenposition befinden und unabhängig von der GNSS-Antenne sind. Der Begriff Rohsignal beschreibt hier insbesondere unverarbeitete bzw. nicht vorverarbeitete Signale, wie sie vom GNSS-Satelliten direkt empfangen werden. In diesem Zusammenhang werden hier beispielsweise zum Ermitteln des Eintreffwinkels zwischen Fahrzeugen vorteilhaft GNSS-Rohsignale weitergeleitet bzw. verteilt. Insbesondere kann auf ein Verteilen von bereits ausgewerteten GNSS-Daten (Positionsdaten) verzichtet werden. Weiterhin kann zum Ermitteln des Eintreffwinkels ein Vergleich zwischen GNSS-Rohsignalen erfolgen, die an verschiedenen Positionen, beispielsweise von verschiedenen Fahrzeugen empfangen wurden. Ein solcher Vergleich der Rohsignale erlaubt gegenüber einem Vergleich von Positionierungsergebnissen (Positionsdaten) den Vorteil, dass die von verschiedenen Empfängern bzw. Fahrzeugen bereitgestellten Informationen (hier Rohsignale) nicht im gleichen Maße beeinflusst werden können. Mit aktueller Spoo⌷ng-Technologie wäre es demgegenüber grundsätzlich möglich, mehrere Fahrzeuge im gleichen Maße zu beeinflussen. In der Folge wären die Fahrzeugpositionen zueinander sinnhaft, aber trotzdem falsch.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die GNSS-Antenne in oder an einem Fahrzeug angeordnet ist. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein Automobil handeln. Das Fahrzeug kann für einen zumindest teilweise automatisierten oder autonomen Fahrbetrieb eingerichtet sein. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise weiterhin vorgesehen sein, dass das Fahrzeug nur eine einzige GNSS-Antenne aufweist. Insbesondere weist das Fahrzeug in diesem Zusammenhang kein physisches Antennen-Array auf. Das Fahrzeug kann weiterhin eine (einzige) der GNSS-Antenne zugeordnete Verarbeitungseinrichtung aufweisen. Die Verarbeitungseinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass diese mit Informationen der einen einzigen GNSS-Antenne eine sogenannte Virtual-Antenna-Array-Ermittlung durchführen kann.
Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, dass in Schritt a) GNSS-Signale von sich im Umfeld um das eigene Fahrzeug befindenden weiteren Fahrzeugen empfangen werden. In diesem Zusammenhang kann zudem vorgesehen sein, dass die Relativpositionen der weiteren Fahrzeuge zu dem eigenen Fahrzeug bestimmt und bei dem Ermitteln des mindestens einen Eintreffwinkels berücksichtigt werden. Die Relativpositionen können beispielsweise unter Verwendung mindestens eines Umfeldsensors des eigenen Fahrzeugs ermittelt werden. Weiterhin können die Fahrzeuge die (von dem jeweiligen Fahrzeug) ermittelten Relativpositionen zueinander vorteilhaft über eine Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über Funk) miteinander austauschen. Dies kann vorteilhaft dazu beitragen, noch mehr Antennen in ein Array einbinden zu können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) ermittelt wird, ob der Eintreffwinkel plausibel ist. Der Eintreffwinkel kann insbesondere dann als plausibel angesehen werden, wenn dieser steiler bzw. größer (im Vergleich zur Horizontalen) ist als ein Mindest-Eintreffwinkel und/oder innerhalb eines erwarteten Eintreffwinkel-Bereichs liegt und/oder im Wesentlichen einem erwarteten Eintreffwinkel entspricht.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens vorgeschlagen. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das hier vorgeschlagene Computerprogramm hinterlegt bzw. gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Lokalisierungseinrichtung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei die Lokalisierungseinrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Lokalisierungseinrichtung kann beispielsweise einen Rechner und/oder ein Steuergerät (Controller) umfassen, der Befehle ausführen kann, um das Verfahren auszuführen. Hierzu kann der Rechner bzw. das Steuergerät beispielsweise das angegebene Computerprogramm ausführen. Beispielsweise kann der Rechner bzw. das Steuergerät auf das angegebene Speichermedium zugreifen, um das Computerprogramm ausführen zu können. Die Lokalisierungseinrichtung kann beispielsweise ein Bestandteil eines Bewegungs- und Positionssensors sein, der insbesondere in oder an einem Fahrzeug anordenbar bzw. angeordnet ist, oder mit einem solchen Sensor zum Informationsaustausch verbunden sein.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogram und/oder dem Speichermedium und/oder der Lokalisierungseinrichtung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

1: einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens,
2: ein beispielhaftes Szenario bei dem das hier vorgestellte Verfahren zur Anwendung kommt,
3: einen Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des hier vorgestellten Verfahrens, und
4: ein Fahrzeug mit einer hier beschriebenen Lokalisierungseinrichtung.

1 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens. Das Verfahren dient zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals 1 (vgl. 2). Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 sowie dem optionalen Block 140 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b), c) und ggf. d) ist beispielhaft und kann zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal in der dargestellten Reihenfolge durchlaufen werden.
In Block 110 erfolgt gemäß Schritt a) ein Empfangen einer Mehrzahl von GNSS-Signalen 1, 2 (vgl. 2), die an verschiedenen Positionen in einem Umfeld um eine Eigenposition einer GNSS-Antenne 3 eintreffen. In Block 120 erfolgt gemäß Schritt b) ein Ermitteln mindestens eines Eintreffwinkels 4 mindestens eines empfangenen GNSS-Signals 1, 2 unter Verwendung der in Schritt a) empfangenen Mehrzahl von GNSS-Signalen 1, 2. In Block 130 erfolgt gemäß Schritt c) ein Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals 1, wenn der ermittelte Eintreffwinkel 4 nicht zu der erwarteten GNSS-Satellitenkonstellation passt.
Insbesondere umfasst die Ermittlung des Eintreffwinkels 4 die Ermittlung der Richtung, aus der ein Signal 1, 2 eintrifft. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn (wie in dem in 2 skizzierten Fall) mehrere Antennen 3, 5, die dieses Signal auffangen, verfügbar sind. Die Richtung, aus der das Signal 1, 2 ausgestrahlt wurde, kann in besonders vorteilhafter Weise aus den Zeitpunkten (an denen das Signal von den unterschiedlichen Antennen empfangen wurde) und der Anordnung dieser Antennen 3, 5 zueinander bestimmt werden.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, dass eine entsprechende Kommunikation zwischen den beteiligten Fahrzeugen 5, 6 erfolgt. Hierbei können zumindest auch die Zeitpunkte (an denen das Signal von den unterschiedlichen Antennen empfangen wurde), insbesondere zusätzlich zu den empfangenen GNSS-Rohdaten bzw. GNSS-Rohsignalen von Fahrzeug zu Fahrzeug übertragen bzw. miteinander ausgetauscht werden. Die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen 5, 6 kann beispielsweise mittels V2V oder Mobilfunk erfolgen. Darüber hinaus kann zur Ermittlung der Richtung eine Ermittlung der relativen Positionen der Fahrzeuge 5, 6 zueinander beitragen.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass ein einzelnes Fahrzeug 6 mit einer einzelnen Antenne 3 bereits der Eintreffwinkel bestimmen werden kann. Hierzu ist es bevorzugt GNSS-Signale 1, 2 zu verwenden, die von derselben (eigenen) GNSS-Antenne 3 an verschiedenen Positionen im Umfeld um die momentane Eigenposition und/oder zu verschiedenen Zeitpunkten empfangen wurden bzw. werden. Eine entsprechende Vorgehensweise kann mit dem Begriff „virtual antenna array“ beschrieben werden.
In dem optionalen Block 140 kann gemäß einem (optionalen) Schritt d) ein Anpassen einer zumindest auch GNSS-basierten Lokalisierung in Abhängigkeit davon erfolgen, ob bzw. wenn in Schritt c) ein manipuliertes oder gefälschtes GNSS-Signal erkannt wurde.
2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Szenario bei dem das hier vorgestellte Verfahren zur Anwendung kommt. Es sind neben einem eigenen Fahrzeug 6 beispielhaft zwei weitere Fahrzeuge 7 dargestellt. Zudem sind zur beispielsweisen Veranschaulichung ein GNSS-Satellit 9 sowie ein GNSS-Spoofer 8 dargestellt. Das Verfahren kann bei dem Beispiel gemäß 2 zur verteilten Erkennung von GNSS Spoofing mittels der beispielhaft drei Fahrzeuge 6, 7 zur Anwendung kommen.
Es können in Schritt a) zumindest auch GNSS-Rohsignale empfangen werden, die von GNSS-Empfängern 5 empfangen und weitergeleitet wurden, die sich im Umfeld um die Eigenposition befinden und unabhängig von der GNSS-Antenne 3 sind. Die GNSS-Empfänger 5 können dabei beispielsweise in oder an den weiteren Fahrzeugen 7 angeordnet sein. Die GNSS-Antenne 3 kann dabei zum Beispiel Bestandteil des eigenen Fahrzeugs sein. Insbesondere kann die GNSS-Antenne 3 in oder an einem bzw. dem eigenen Fahrzeug 6 angeordnet sein. Dabei kann das Fahrzeug 6 nur eine einzige GNSS-Antenne 3 aufweist. Die Darstellung nach 2 stellt in diesem Zusammenhang auch ein Beispiel dafür dar, dass und ggf. wie in Schritt a) GNSS-Signale 1, 2 von sich im Umfeld um das eigene Fahrzeug 6 befindenden weiteren Fahrzeugen 7 empfangen werden können.
Es kann vorgesehen sein, dass die Relativpositionen der weiteren Fahrzeuge 7 zu dem eigenen Fahrzeug 6 bestimmt und bei dem Ermitteln des mindestens einen Eintreffwinkels 4 berücksichtigt werden. Weiterhin kann in Schritt c) ermittelt werden, ob der Eintreffwinkel 4 plausibel ist.
3 zeigt schematisch einen Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des hier vorgestellten Verfahrens.
In Block 210 kann ein Empfangen eines GNSS-Signals 1, 2 erfolgen. Dabei kann zu einem Zeitpunkt t ein Fahrzeug 6, 7 (im Weiteren auch mit Formelzeichen: v_i bezeichnet) über seinen GNSS-Empfänger 3, 5 ein oder mehrere GNSS Signale 1, 2 empfangen, die von Satelliten 9 und/oder von einem Spoofer 8 ausgestrahlt werden. Im Weiteren kann die Menge der von v_i empfangenen Signale 1, 2 zum Zeitpunkt t mit $S_{v_{i}}^{t}$
bezeichnet werden. Jedes GNSS-Signal 2 kann unter Anderem Informationen darüber beinhalten, welcher Satellit 9 dieses Signal abgestrahlt hat.
In Block 211 kann eine Bestimmung der relativen Entfernungen von umliegenden Fahrzeugen 7 erfolgen. Dabei kann zu jedem Zeitpunkt t jedes Fahrzeug v_i (zum Beispiel Fahrzeug 6) mittels Umfeldsensorik Fahrzeuge 7 in der Umgebung erfassen und deren jeweilige Relativposition bestimmen. Die Menge der von Fahrzeug v_i zum Zeitpunkt t erkannten umliegenden Fahrzeuge 8 mitsamt deren relativen Positionen (zu v_i) wird kann als $R_{v_{i}}^{t} = {r_{v_{1}}, \dots, r_{v_{n}}}$
bezeichnet werden.
In Block 212 kann ein Teilen des empfangenen GNSS-Signals mit anderen Fahrzeugen 7 erfolgen. Dabei kann zu jedem Zeitpunkt t, zu dem ein Fahrzeug v_i (zum Beispiel Fahrzeug 6) mittels GNSS-Empfänger bzw. GNSS-Antenne 3 ein GNSS Signal 1, 2 empfangen hat, das Fahrzeug v_i zur Eintreffwinkel-Ermittlung bzw. Angle-Of-Arrival-Berechnung geeignete und/oder notwendige Informationen über dieses Signal an alle Fahrzeuge mitteilen. Diese Informationen können insbesondere den Zeitpunkt und die Trägerphase zu dem das Signal empfangen wurde beinhalten. Diese Informationen können im Weiteren als gi bezeichnet werden. Die Informationen können zum Beispiel mit V2X / V2V Nachrichten und/oder mit einem Geocast, der z.B. über einen Cloud-Dienst bereitgestellt wird, mitgeteilt werden. Alternativ oder kumulativ können die Informationen mit einer (anderen) Funktechnologie, wie z.B. WLAN, Bluetooth, Mobilfunk, etc. geteilt werden.
Insbesondere da die GNSS-Antenne 3 bei jedem Fahrzeugtyp an einer anderen Stelle montiert sein kann und unterschiedliche Fahrzeuge auch unterschiedliche GNSS-Antennen verwenden können, können beispielhaft die Einbauposition und/oder GNSS-Antennen-speziDsche Informationen zusätzlich in gi enthalten sein.
Beispielhaft könne zusätzlich zu $g_{i}^{t}$
bei der Übermittlung auch die relativen Entfernungen von umliegenden Fahrzeugen 7 $R_{v_{i}}^{t}$
mit anderen Fahrzeugen geteilt werden. Hierdurch können vorteilhaft auch Fahrzeuge mit in ein lokales Modell aufgenommen werden, die sich ggf. sogar außerhalb der Reichweite der Fahrzeugeigenen Umfeldsensoren befinden, aber von anderen Fahrzeugen 7 in der Region vermessen werden können.
In Block 213 kann ein Empfangen von empfangenen GNSS-Signalen 1, 2 von anderen Fahrzeugen 7 erfolgen. Dabei kann zu jedem Zeitpunkt t, zu dem ein Fahrzeug v_i (zum Beispiel Fahrzeug 6) ein GNSS-Signal $g_{i}^{t}$
von einem anderen Fahrzeug v_j (zum Beispiel Fahrzeug 7) empfangen hat, dieses zu der Menge der empfangenen Signale $M^{t} = {g_{1}^{t}, \dots, g_{n}^{t}}$
hinzugefügt werden.
In Block 214 kann ein Ermitteln des Eintreffwinkels 4 bzw. ein Berechnen des Angle-of-Arrival für insbesondere jedes empfangene GNSS-Signal 1, 2 erfolgen. Dabei kann insbesondere mit Hilfe der relativen Position der umliegenden Fahrzeuge 7 $R_{v_{I}}^{t}$
sowie der von den Fahrzeugen 7 empfangenen Signale M^t das Fahrzeug 6 für jeden Datenpunkt $g_{i}^{t}$
∈ M^t der zum eigenen Fahrzeug relativen Positionen der GNSS-Antennen berechnet werden, mit denen die Signale aus M^t empfangen wurden. Beispielhafte mathematische Formulierungen zur Berechnung des Angle-of-Arrival mittels eines Antennen-Arrays bei dem die Positionen der einzelnen Antennen nicht die exakte Position sondern Schätzwerte der Position darstellen, sind grundsätzlich bekannt.
Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass in Block 214 die mit der eigenen GNSS-Antenne 3 empfangenen GNSS Signale 1, 2, die relativen Positionen (relativ zum eigenen Fahrzeug 6 bzw. der eigenen GNSS Antenne 2) zu den GNSS Antennen 5 der anderen Fahrzeuge 7 und Kopien der von diesen Antennen 5 empfangenen GNSS-Signale 1, 2 benutzt werden, um ein Ermitteln des Eintreffwinkels 4 bzw. ein Berechnen des Angle-of-Arrival für insbesondere jedes empfangene GNSS-Signal 1, 2 durchzuführen. Zu dem Ermitteln bzw. Berechnen können insbesondere Phasenmessungen der GNSS-Signale 1, 2 beitragen.
In Block 215 kann ein Decodieren des empfangenen Signals, insbesondere zur Zuordnung des Signals zu einem Satelliten erfolgen. Jedes GNSS-Signal enthält üblicherweise Informationen zu dem Satelliten, der dieses abstrahlt bzw. abgestrahlt hat. Wie diese Informationen aus dem empfangenen Signal interpretiert werden können, um diese einem Satelliten zuordnen zu können, kann aus dem entsprechenden Interface Control Documents (ICDs) der entsprechenden GNSSs entnommen werden.
In Block 216 kann eine Berechnung der Position des entsprechenden Satelliten erfolgen. Die Bahnparameter der Flugbahnen von Satelliten sind allgemein bekannt, wie etwa öffentlich im Internet abrufbar und/oder (zum Teil mit höherer Genauigkeit) über spezielle kommerzielle Dienstanbieter veröffentlicht. Darüber hinaus strahlen die Satelliten selbst Bahnparameter über die sogenannten Navigation Data Nachrichten ab. Ist bekannt welcher Satellit ein Signal zu einer bestimmten Zeit ausgestrahlt hat, kann mithilfe dieser Bahnparameter die Satellitenposition zur Zeit der Abstrahlung berechnet und damit auch der Eintreffwinkel bzw. Angle-of-Arrival eines originalen (also nicht gefälschten) Signals bzw. der (bei der betreffenden Satellitenkonstellation) zu erwartende Eintreffwinkel bzw. zu erwartende Angle-of-Arrival bestimmt werden. Dieser liegt in der Regel in den zwei Komponenten Azimuth und Elevation vor.
In Block 217 kann ein Vergleichen unter Verwendung des (in Schritt b) ermittelten Eintreffwinkels bzw. Angle-of-Arrival und der Berechneten Position des Satelliten erfolgen. Beispielsweise kann in Rahmen eines Vergleichs von (zu erwartendem) Eintreffwinkel (Azimut und Elevationswinkel) des Satelliten mit dem in Schritt b), beispielsweise unter Verwendung eines (virtuellen) Antennen-Arrays, ermittelten bzw. geschätzten Eintreffwinkel (Azimut und Elevationswinkel) für das empfangene Signal bestimmt werden, ob das Signal aus der Richtung des Satelliten abgestrahlt wurde, oder ob es sich um ein gefälschtes Signal handelt, welches aus einer anderen Richtung ausgestrahlt wurde.
In Block 218 kann dementsprechend eine Fallunterscheidung erfolgen, bei der geprüft wird, ob die entsprechenden Winkel zumindest mit einem gewissen Mindestmaß übereinstimmen oder nicht.
In Block 219 kann ein Warnen umliegender Fahrzeuge vor gespooften Signalen erfolgen. Ergibt beispielsweise ein Vergleich von geschätztem Eintreffwinkel bzw. Angle-of-Arrival und der Position des Satelliten, dass es sich um ein gefälschtes Signal handelt, so können beispielhaft auch andere Fahrzeuge in der Umgebung vor diesem Signal gewarnt werden. Dies kann zum Beispiel mit V2X / V2V Nachrichten geschehen und/oder mit einem Geocast, der z.B. über einen Cloud-Dienst bereitgestellt wird und/oder mit einer anderen Funktechnologie, wie zum Beispiel WLAN, Bluetooth, Mobilfunk, etc.
In Block 220 kann ein Ausnehmen eines entsprechenden (als gefälscht identifizierten bzw. erkannten) GNSS-Signals von der Positionsberechnung erfolgen. Wird ein empfangenes Satellitensignal als gefälscht erkannt, so kann dieses beispielsweise aus der GNSS-Positionsberechnung des (eigenen) Fahrzeuges ausgeschlossen.
Das Verfahren kann somit insbesondere dazu eingesetzt werden, dass Fahrzeuge sich mit umliegenden Fahrzeugen über empfangene GNSS-Signale austauschen, mit dem Ziel aus diesen ein (virtuelles) Antennen-Array zu bilden mit dem Ziel durch eine Bestimmung eines Angle-Of-Arrivals ein gefälschtes von einem legitimen GNSS-Signal unterscheiden zu können.
Alternativ oder zusätzlich zum Verteilen der GNSS-Signale an umliegende Fahrzeuge können auch alle Fahrzeuge die empfangenen Signale an eine zentrale Stelle (einen Server / Clouddienst) übertragen. Dieser kann anschließend die Berechnung des (jeweiligen) Eintreffwinkels bzw. Angle-of-Arrivals durchführen und diesen mit dem erwarteten Eintreffwinkel bzw. Angle-of-Arrival abgleichen. Als Ergebnis kann dieser Server/Clouddienst den entsprechenden Fahrzeugen (und vorzugsweise auch allen anderen Fahrzeugen in der Region) melden, bei welchen Signalen es sich um gefälschte GNSS-Signale handelt.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Menge von Fahrzeugen kann das Verfahren auch mit einer Menge von Infrastrukturelemente (zum Beispiel Road Side Units, oder Infrastrukturkameras) ausgeführt werden bzw. mit einer Mischung aus Fahrzeugen und Infrastrukturelementen.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Menge aus (unterschiedlichen) Fahrzeugen kann das Verfahren auch auf nur einem Fahrzeug mit nur einer Antenne ausgeführt werden. Hierzu können die Signale insbesondere über die Zeit beobachtet werden und die Trajektorie des Fahrzeuges über die Zeit mit Onboard Sensoren (wie z.B. mit IMU und Odometer) geschätzt werden. Eine entsprechende Vorgehensweise wird allgemein auch als „single antenna based virtual antenna array“ oder als „Synthetic Aperture“ bezeichnet. Hierbei kann ein einzelnes Fahrzeug, sobald es ein gefälschtes Signal erkannt hat, dieses ebenfalls über V2X oder eine andere Kommunikationstechnologie an andere Verkehrsteilnehmer in der Region weitergeben. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, die Einzelmessungen von Fahrzeugen in einem Cloud-Dienst zu sammeln und dort ggf. die Bestimmung des Eintreffwinkels bzw. Angle-Of-Arrival durchzuführen. Durch die größere Menge an Messdaten können die errechneten Daten vorteilhaft miteinander plausibilisiert werden, um Fehldetektionen möglichst zu vermeiden.
Für eine besonders vorteilhafte Ortung des Spoofers können weiterhin mehrere unterschiedliche Mengen von Fahrzeugen verwendet werden, um so mehrere unterschiedliche virtuelle Antennen zu konstruieren, die dasselbe gefälschte Signal empfangen. So können diese vorteilhaft verwendet werden, um den Standort des Spoofers zu bestimmen. Dieser Standort kann anschließend automatisch zur Strafverfolgung an die entsprechenden Behörden und/oder an andere Verkehrsteilnehmer und/oder an einen Cloud-Dienst gemeldet werden.
4 zeigt schematisch ein Fahrzeug 6 mit einer hier beschriebenen Lokalisierungseinrichtung 10. Die Lokalisierungseinrichtung 10 ist zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Somit werden hier ein Verfahren und eine Lokalisierungseinrichtung beschrieben, mit denen vorteilhaft zuverlässig gefälschte (=Spoo⌷ng) Global Navigation Satellite System (GNSS) Signale erkannt werden können. Dadurch kann es ermöglicht werden, diese bei der Positionsberechnung außenvorzulassen, was es einem Angreifer (Spoofer) signi⌷kant erschwert, ein Opfer dazu zu bringen, eine falsche Eigenpositionsbestimmung durchzuführen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung empfangen hierzu mehrere GNSS-Empfänger 3, 5, verbaut in mehreren Fahrzeugen 6, 7, die gleichen GNSS-Signale 1, 2 und tauschen diese miteinander über einen Funkkanal aus. Darüber hinaus können die Fahrzeuge 6, 7 Fahrzeugsensoren (wie z.B. Radar, Lidar, Ultraschall, Kamera, etc.) nutzen, um die relative Position der Fahrzeuge 6, 7 untereinander zu bestimmen. Hieraus resultiert in vorteilhafter Weise, dass jedes Fahrzeug 6, 7 im Besitz der empfangenen GNSS-Signale 1, 2, jeweils aufgenommen von unterschiedlichen Antennen 3, 5 an unterschiedlichen Orten (ein Antennen Array) zur gleichen Zeit ist. Dadurch, dass die relativen Positionen der Antennen untereinander (aufgrund der Fahrzeugpositionen) bekannt sind, kann besonders vorteilhaft für jedes GNSS-Signal der Eintreffwinkel bzw. Angle-of-Arrival ermittelt werden. Dieser sagt insbesondere aus, aus welcher Richtung ein empfangenes Signal abgestrahlt wurde. Ein gefälschtes GNSS-Signal wird insbesondere dann erkannt, wenn der ermittelte Eintreffwinkel bzw. Angle-of-Arrival nicht mit der bekannten Position des Satelliten übereinstimmt, der dieses Signal eigentlich ausstrahlen müsste.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals (1), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Empfangen einer Mehrzahl von GNSS-Signalen (1, 2), die an verschiedenen Positionen in einem Umfeld um eine Eigenposition einer GNSS-Antenne (3) eintreffen, b) Ermitteln mindestens eines Eintreffwinkels (4) mindestens eines empfangenen GNSS-Signals (1, 2) unter Verwendung der in Schritt a) empfangenen Mehrzahl von GNSS-Signalen (1, 2), c) Erkennen eines manipulierten oder gefälschten GNSS-Signals (1), wenn der ermittelte Eintreffwinkel (4) nicht zu der erwarteten GNSS-Satellitenkonstellation passt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) zumindest auch GNSS-Rohsignale empfangen werden, die von GNSS-Empfängern (5) empfangen und weitergeleitet wurden, die sich im Umfeld um die Eigenposition befinden und unabhängig von der GNSS-Antenne (3) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die GNSS-Antenne (3) in oder an einem Fahrzeug (6) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Fahrzeug (6) nur eine einzige GNSS-Antenne (3) aufweist.
Verfahren nach 3 oder 4, wobei in Schritt a) GNSS-Signale (1, 2) von sich im Umfeld um das eigene Fahrzeug (6) befindenden weiteren Fahrzeugen (7) empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Relativpositionen der weiteren Fahrzeuge (7) zu dem eigenen Fahrzeug (6) bestimmt und bei dem Ermitteln des mindestens einen Eintreffwinkels (4) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) ermittelt wird, ob der Eintreffwinkel (4) plausibel ist.
Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Lokalisierungseinrichtung (10) für ein Fahrzeug (6), wobei die Lokalisierungseinrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.