การโจมตี GNSS และลิงก์

ทำไมต้องรู้

สัญญาณ GPS ที่มาถึงพื้นโลกอ่อนมาก เอกสาร IS-GPS-200N กำหนดกำลังรับต่ำสุดของสัญญาณ L1 C/A ไว้ที่ −158.5 dBW หรือ −128.5 dBm ต่ำกว่าระดับสัญญาณรบกวนพื้นหลังเสียอีก ตัวรับจึงต้องใช้เทคนิคประมวลผลเพื่อดึงสัญญาณขึ้นมา เครื่องส่งกำลังต่ำเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์ก็กลบสัญญาณได้ในรัศมีกว้าง และผู้ที่ส่งสัญญาณเลียนแบบได้ก็หลอกตำแหน่งของโดรนได้ เส้นทางส่งเวชภัณฑ์ที่บินผ่านชุมชนจึงต้องรู้ว่าอะไรเกิดขึ้นได้และตรวจจับอย่างไร

การรบกวนสัญญาณ (jamming)

การรบกวน คือการส่งพลังงานในย่านความถี่เดียวกันจนตัวรับแยกสัญญาณไม่ออก ตัวชี้วัดคือ J/S กำลังของสัญญาณรบกวนเทียบกับสัญญาณที่ต้องการ (dB) เมื่อ J/S สูงเกินที่ตัวรับทนได้ ตัวรับจะเสียการติดตามดาวเทียม ค่าที่ทนได้ขึ้นกับรุ่นตัวรับ สายอากาศ และเทคนิคป้องกัน จึงต้องหาจากเอกสารผู้ผลิตหรือการทดสอบในห้องปฏิบัติการที่ได้รับอนุญาต

การสูญเสียในอวกาศอิสระ (free-space path loss) ตามคำแนะนำ ITU-R P.525 เพิ่มขึ้น 6 dB ทุกครั้งที่ระยะเพิ่มเป็นสองเท่า

import math

F_L1 = 1575.42e6     # Hz
S_GPS = -128.5       # dBm กำลังรับต่ำสุด L1 C/A ตาม IS-GPS-200N
P_JAM = 10.0         # dBm (10 mW) แบบรอบทิศ
JS_LIMIT = 40.0      # dB ค่าสมมติของตัวรับ

def fspl_db(d_m):
    return 20 * math.log10(d_m) + 20 * math.log10(F_L1) - 147.55

for d in (100, 500, 1000, 2000, 5000):
    js = P_JAM - fspl_db(d) - S_GPS
    print(f"{d:>5} m: J/S {js:5.1f} dB  {'lost' if js > JS_LIMIT else 'tracking'}")
radius = 10 ** ((P_JAM - S_GPS - JS_LIMIT - (20 * math.log10(F_L1) - 147.55)) / 20)
print(f"radius where J/S reaches {JS_LIMIT:.0f} dB: {radius:,.0f} m")

  100 m: J/S  62.1 dB  lost
  500 m: J/S  48.1 dB  lost
 1000 m: J/S  42.1 dB  lost
 2000 m: J/S  36.1 dB  tracking
 5000 m: J/S  28.1 dB  tracking
radius where J/S reaches 40 dB: 1,274 m

ลิงก์ C2 ก็ถูกรบกวนได้ด้วยหลักเดียวกัน ต่างกันที่สัญญาณ C2 แรงกว่า GNSS มาก ผลของการรบกวน C2 คือลิงก์ขาด ซึ่งต้องมีขั้นตอนเมื่อ C2 ขาดตาม UAT 312 และโมดูล 3

การปลอมสัญญาณ (spoofing)

การปลอมสัญญาณ คือการส่งสัญญาณที่เหมือนดาวเทียมจริงเพื่อให้ตัวรับคำนวณตำแหน่งหรือเวลาผิด Humphreys และคณะ (2008) สร้างเครื่องปลอมสัญญาณแบบพกพาที่เริ่มจากสัญญาณที่ตรงกับของจริง แล้วค่อย ๆ ลากออกไป ตัวรับจึงไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงแบบกระโดด Kerns และคณะ (2014) ต่อยอดเป็นการยึดโดรน โดยวิเคราะห์เงื่อนไขที่ผู้ปลอมกำหนดค่าตำแหน่งและความเร็วที่โดรนประมาณได้ และในการทดสอบภาคสนามทำให้โดรนเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กหลงทางจนตก

การยึดแบบแนบเนียนน่ากลัวกว่าการรบกวน เพราะโดรนยังคิดว่าตัวเองรู้ตำแหน่ง ไม่เข้าสู่โหมดปลอดภัย

ตรวจจับด้วยความสอดคล้องของเซนเซอร์

แนวคิดหลักคือเทียบ GNSS กับแหล่งที่ผู้ปลอมเข้าไม่ถึง เช่น dead reckoning (DR) จาก IMU ความเร็วลม หรือ visual odometry ถ้าผลต่างสูงเกินที่ความคลาดของ DR อธิบายได้ แปลว่า GNSS ผิดปกติ ตำราของ Groves (2013) เรียกการตรวจนี้ว่าการตรวจความสอดคล้องของระบบนำทางหลายเซนเซอร์

import math

DR_DRIFT = 0.05                    # m/s ความคลาดสะสมของ dead reckoning
SPOOF_START, SPOOF_ACC = 20, 0.02  # s, m/s² การลากตำแหน่งแบบแนบเนียน
LIMIT = 5.0                        # m เกณฑ์แจ้งเตือน

for t in range(0, 61):
    dr_err = DR_DRIFT * t
    offset = 0.5 * SPOOF_ACC * (t - SPOOF_START) ** 2 if t > SPOOF_START else 0.0
    residual = math.hypot(dr_err, offset)
    if residual > LIMIT:
        print(f"ALARM at t = {t} s: residual {residual:.2f} m, position already dragged {offset:.2f} m")
        break
    if t % 10 == 0:
        print(f"t = {t:>2} s: residual {residual:.2f} m (spoofed offset {offset:.2f} m)")

t =  0 s: residual 0.00 m (spoofed offset 0.00 m)
t = 10 s: residual 0.50 m (spoofed offset 0.00 m)
t = 20 s: residual 1.00 m (spoofed offset 0.00 m)
t = 30 s: residual 1.80 m (spoofed offset 1.00 m)
t = 40 s: residual 4.47 m (spoofed offset 4.00 m)
ALARM at t = 42 s: residual 5.28 m, position already dragged 4.84 m

มาตรการป้องกัน

• หลายระบบดาวเทียมและหลายความถี่ ทำให้ปลอมหรือรบกวนทุกสัญญาณพร้อมกันยากขึ้น
• การยืนยันความแท้ของข้อความนำทาง เช่น Galileo OSNMA ที่คณะกรรมาธิการยุโรปประกาศบริการขั้นต้นเมื่อ 24 กรกฎาคม 2025 ให้ตัวรับตรวจว่าข้อมูลนำทางมาจากระบบจริง แต่ไม่ได้กันการรบกวน
• ตรวจความสอดคล้องของเซนเซอร์ ตามตัวอย่างที่ 2 และตรวจค่าที่เป็นไปไม่ได้ เช่น ความเร็วเกินสมรรถนะของโดรน
• สายอากาศและตำแหน่งติดตั้ง ที่ลดการรับสัญญาณจากแนวราบ ซึ่งเป็นทิศที่เครื่องรบกวนภาคพื้นส่งมา
• ขั้นตอนเมื่อ GNSS ใช้ไม่ได้ เช่น ลอยค้างหรือบินด้วยแหล่งนำทางอื่นไปยังจุดปลอดภัย ทดสอบใน SITL ก่อน

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• สัญญาณ GPS L1 C/A ต่ำสุดราว −128.5 dBm เครื่องรบกวนกำลังต่ำจึงมีผลในรัศมีกว้าง
• J/S คำนวณจากกำลังส่ง การสูญเสียตามระยะ และกำลังสัญญาณที่ต้องการ
• การปลอมสัญญาณแบบค่อยเป็นค่อยไปยึดโดรนได้โดยไม่ทำให้เข้าโหมดปลอดภัย
• การเทียบกับ DR และเซนเซอร์อื่นช่วยตรวจจับ แต่ต้องเลือกเกณฑ์จากข้อมูลจริง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. ระยะเพิ่มจาก 500 m เป็น 1,000 m การสูญเสียในอวกาศอิสระเพิ่มกี่ dB
2. สัญญาณรบกวนมาถึงตัวรับ −90 dBm สัญญาณ GPS −128.5 dBm J/S เท่าใด
3. ทำไมการปลอมแบบค่อย ๆ ลากจึงตรวจจับยากกว่าการกระโดด
4. OSNMA ช่วยเรื่องใด และไม่ช่วยเรื่องใด
5. ลดเกณฑ์ผลต่างจาก 5 m เป็น 2 m มีข้อดีและข้อเสียอย่างไร