GPS-Störung und Spoofing: Wie navigiert eine maritime Drohne weiter?

Eine maritime Aufklärungsdrohne muss ihre Position zuverlässig bestimmen, Flugrouten einhalten und Sensordaten geografisch zuordnen. Dafür nutzt sie normalerweise auch Satellitennavigation. Doch was geschieht, wenn diese Signale ausfallen oder eine falsche Position vortäuschen?

Ein entsprechend ausgerüstetes unbemanntes Luftfahrzeug kann mithilfe unabhängiger Bordsensoren weiterfliegen. Wie lange und mit welcher Genauigkeit, hängt jedoch von seiner technischen Ausstattung und den Einsatzbedingungen ab. Entscheidend ist, eine Störung rechtzeitig zu erkennen und die verbleibende Navigationsleistung richtig einzuschätzen.

GPS ist ein Bestandteil der Navigation

Das amerikanische Global Positioning System, kurz GPS, gehört zu den globalen Satellitennavigationssystemen. Der übergeordnete Begriff lautet GNSS: Global Navigation Satellite System. Dazu zählt auch das europäische Galileo.

Ein Navigationsempfänger verarbeitet Signale mehrerer Satelliten, um Position und Zeit zu bestimmen. Aus fortlaufenden Messungen lassen sich außerdem Bewegungsinformationen gewinnen. Diese Daten unterstützen die Flugführung und die geografische Zuordnung von Aufklärungsergebnissen.

Die Satellitennavigation ist dabei nur ein Teil der gesamten Flugzeugsysteme. Fluglage, Luftgeschwindigkeit oder barometrische Höhe können durch andere Sensoren erfasst werden. Deshalb führt ein GPS-Ausfall nicht zwangsläufig zum Verlust der Flugkontrolle.

Jamming und Spoofing wirken unterschiedlich

Beim Jamming überlagern Störsignale den Empfang der Satellitensignale. Der Empfänger kann dadurch weniger zuverlässige Messungen liefern oder seine Positionsbestimmung vollständig verlieren. Für das Navigationssystem fehlt dann eine wichtige Informationsquelle.

Spoofing verfolgt einen anderen Ansatz: Täuschsignale sollen den Empfänger dazu bringen, eine falsche Position, Geschwindigkeit oder Zeit zu berechnen. Das System liefert möglicherweise weiterhin scheinbar brauchbare Werte, obwohl diese nicht mehr zur tatsächlichen Bewegung passen.

Dieser Unterschied bestimmt die technische Herausforderung. Ein erkennbar ausgefallener Sensor kann aus der Berechnung ausgeschlossen werden. Eine unbemerkt falsche Quelle kann dagegen andere Funktionen beeinflussen, die ihren Angaben vertrauen.

Nicht jede Empfangsstörung ist allerdings ein Angriff. Auch Abschattungen, technische Fehler oder natürliche Einflüsse können die Satellitennavigation beeinträchtigen. Eine auffällige Positionsanzeige allein erlaubt deshalb noch keine sichere Aussage über die Ursache.

Trägheitsnavigation überbrückt den Ausfall

Eine wichtige unabhängige Grundlage ist die Trägheitsnavigation, englisch Inertial Navigation System oder INS. Sie nutzt Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, um die Bewegung des Luftfahrzeugs zu erfassen.

Die zugehörige inertiale Messeinheit wird als IMU bezeichnet. Sie liefert Messwerte über Beschleunigungen und Drehbewegungen. Erst die Verarbeitung dieser Werte zusammen mit einer geeigneten Initialisierung ermöglicht die Berechnung einer Navigationslösung.

Ausgehend von einer bekannten Position kann das System die weitere Bewegung fortlaufend nachvollziehen. Dafür benötigt es keine ständig empfangenen Satellitensignale. Ein Ausfall der GNSS-Ortung lässt sich deshalb grundsätzlich überbrücken.

Allerdings entstehen kleine Mess- und Berechnungsfehler. Ohne geeignete Korrekturen summieren sie sich zu einer zunehmenden Abweichung, der sogenannten Drift. Ein Trägheitsnavigationssystem kann daher nicht beliebig lange eine unverändert genaue Position bereitstellen.

Wie schnell die Unsicherheit wächst, hängt unter anderem von Sensorqualität, Ausrichtung, Flugbewegung und zusätzlichen Messquellen ab. Eine allgemeingültige Aussage wie „jede maritime Drohne fliegt eine Stunde ohne GPS präzise weiter“ wäre fachlich nicht belastbar.

Sensorfusion muss falsche Daten erkennen

Moderne Navigationssysteme verbinden unterschiedliche Messquellen durch Sensorfusion. Dabei werden Informationen gemeinsam ausgewertet und auf ihre Vereinbarkeit geprüft.

Unter normalen Bedingungen ergänzen sich Satelliten- und Trägheitsnavigation: GNSS liefert eine absolute Positionsreferenz, während das INS die Bewegung kontinuierlich erfasst. Satellitenmessungen helfen, langfristige Fehler der Trägheitsnavigation zu begrenzen.

Bei Spoofing entsteht daraus ein besonderes Risiko. Werden verfälschte GNSS-Daten weiterhin als zuverlässige Korrektur übernommen, können sie auch die kombinierte Positionslösung beeinflussen.

Zur Überwachung kommen deshalb beispielsweise folgende Hinweise infrage:

• Abweichungen zwischen voneinander unabhängigen Positionsquellen,
• unplausible Änderungen von Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung,
• auffällige Zeitsprünge,
• Widersprüche zwischen gemessener Flugbewegung und angezeigter Positionsänderung.

Ein einzelner Hinweis beweist noch keine Täuschung. Entscheidend ist die gemeinsame Bewertung. Mehrere Anzeigen stellen außerdem keine unabhängige Kontrolle dar, wenn sie letztlich dieselbe möglicherweise verfälschte Datenquelle verwenden.

Welche weiteren Sensoren helfen können

Abhängig von Bauart und Ausrüstung können zusätzliche Verfahren die Navigation unterstützen. Dabei muss zwischen einer vollständigen Positionsbestimmung und der Messung einzelner Größen unterschieden werden.

• Luftdaten: Luftgeschwindigkeit und barometrische Höhe unterstützen die Flugführung. Die Geschwindigkeit gegenüber der Luft entspricht wegen des Windes jedoch nicht automatisch der Geschwindigkeit über Grund.
• Optische Navigation: Kamerabilder können mit georeferenzierten Karten oder gespeicherten Geländemerkmalen verglichen werden. Dafür müssen geeignete Strukturen erkennbar sein.
• Radarunterstützung: Geeignete Radarsysteme können Bewegungsinformationen oder Bezugspunkte liefern. Welche Navigationsgrößen daraus entstehen, hängt vom jeweiligen Verfahren ab.
• Astronomische Navigation: Spezielle optische Sensoren können Himmelsobjekte als Referenz nutzen. Das erfordert eigene Hardware und geeignete Beobachtungsbedingungen.

Diese Möglichkeiten sind keine allgemeine Ausstattungsliste maritimer Drohnen. Ein vorhandenes Aufklärungsradar wird beispielsweise nicht allein dadurch zu einem zugelassenen Ersatznavigationssystem. Dafür sind passende Verarbeitung, Integration und Nachweise erforderlich.

Auch ein Höhenmesser beantwortet nur eine begrenzte Frage: Die Höhe über einer Oberfläche liefert noch keine geografische Position.

Warum das offene Meer besonders anspruchsvoll ist

Über Land stehen häufig Straßen, Gebäude oder markante Geländeformen für einen Bildabgleich zur Verfügung. Über dem offenen Meer fehlen solche dauerhaft ortsfesten Merkmale weitgehend.

Wellen verändern sich, Lichtreflexe wandern und Schaumstrukturen lösen sich auf. Daraus folgt für die maritime Anwendung: Eine Kamera kann zwar das Meer beobachten, ohne deshalb eine zuverlässige absolute Position bestimmen zu können.

Forschung zur visuellen Navigation berücksichtigt Wasserflächen deshalb ausdrücklich als schwierige Umgebung für bestimmte bildgestützte Verfahren. Nebel, Wolken oder ungünstige Beleuchtung können die verfügbaren Bildinformationen zusätzlich einschränken.

In Küstennähe können erkennbare Küstenlinien und feste Bauwerke bessere Bezugsmöglichkeiten bieten. Eine solche Lösung setzt jedoch geeignete Karten, Sichtbedingungen und ausreichend eindeutige Merkmale voraus.

Ein Verfahren, das über strukturiertem Gelände funktioniert, ist damit nicht automatisch für einen langen Flug über offener See geeignet.

Mehrere Satellitensysteme erhöhen die Möglichkeiten

Empfänger für mehrere Satellitenkonstellationen können ihre Messungen auf eine breitere Grundlage stellen. Werden GPS und Galileo unterstützt, stehen grundsätzlich zusätzliche Satelliten und gegebenenfalls weitere Signale zur Verfügung.

Das beseitigt die Störbarkeit jedoch nicht vollständig. Je nach betroffenen Frequenzen und Art der Störung können mehrere Satellitensysteme gleichzeitig beeinträchtigt sein. Zusätzliche Empfänger helfen ebenfalls nur begrenzt, wenn sie derselben äußeren Störung ausgesetzt sind.

Eine weitere Schutzebene ist die Authentifizierung von Navigationsnachrichten. Galileo bietet dafür den Dienst Open Service Navigation Message Authentication, kurz OSNMA.

Geeignete Empfänger können damit prüfen, ob empfangene Navigationsnachrichten tatsächlich vom Galileo-System stammen und unverändert sind. Das erschwert bestimmte Täuschungen.

OSNMA verhindert jedoch weder sämtliche Spoofing-Verfahren noch Jamming. Die Prüfung der Echtheit einer Nachricht garantiert außerdem nicht allein die Richtigkeit jeder daraus berechneten Positionslösung. Schutz entsteht durch das Zusammenwirken mehrerer Maßnahmen.

Wie ein sicherer Weiterflug vorbereitet wird

Für die Einsatzplanung folgt daraus, dass Ausweichverfahren bereits vor dem Start zu den tatsächlich verfügbaren Navigationsmöglichkeiten passen müssen.

Dabei sind insbesondere folgende Fragen zu klären:

• Welche Messquellen bleiben bei einem GNSS-Ausfall verfügbar?
• Welche Positionsunsicherheit ist für die geplanten Flugabschnitte zulässig?
• Welche Ausweichrouten und Flugplätze können mit den verbleibenden Verfahren erreicht werden?
• Wie werden Fernpiloten und zuständige Stellen über eine beeinträchtigte Navigation informiert?

Während einer Störung muss zwischen der sicheren Führung des Luftfahrzeugs und der Fortsetzung des Auftrags unterschieden werden. Eine Drohne kann möglicherweise stabil weiterfliegen, obwohl ihre Positionsgenauigkeit für bestimmte Aufklärungsaufgaben nicht mehr ausreicht.

Ein automatischer Rückflug ist deshalb keine pauschale Lösung. Auch die Rückkehr zu einem gespeicherten Wegpunkt benötigt eine ausreichend zuverlässige Vorstellung von der eigenen Position.

Welche Reaktion zulässig ist, bestimmen die nachgewiesenen Fähigkeiten des Systems und die vorgesehenen Verfahren. Auch die erneute Nutzung wieder empfangener GNSS-Daten muss nach den jeweiligen Herstellervorgaben erfolgen.

Navigationsausfall und Verbindungsabbruch sind verschiedene Fälle

Die Satellitennavigation ist von der Datenverbindung zwischen Drohne und Fernpilotenstation zu unterscheiden. Eine gestörte GNSS-Ortung bedeutet nicht automatisch, dass auch die Kommunikation ausgefallen ist.

Solange die Führungsverbindung verfügbar bleibt, kann die Besatzung am Boden Anzeigen vergleichen und die vorgesehenen Maßnahmen einleiten. Die Fernsteuerung ersetzt allerdings keine verlässliche Positionsbestimmung.

Umgekehrt kann die Führungsverbindung abbrechen, während die Navigation weiterhin funktioniert. Für diesen Lost-Link-Fall sind bei entsprechenden unbemannten Systemen vorab festgelegte Verfahren vorgesehen. Diese können unter anderem Flugrouten, Höhen und Wartebereiche umfassen.

Beide Störungen können auch gleichzeitig auftreten. Daraus ergibt sich eine wichtige Planungsanforderung: Ein Verfahren für einen Verbindungsabbruch darf nicht ungeprüft voraussetzen, dass sämtliche dafür benötigten Navigationsinformationen weiterhin verfügbar sind.

Was sich für die MQ-9B SeaGuardian belegen lässt

Für die MQ-9B hat General Atomics öffentlich eine dreifach ausgelegte Navigationsarchitektur auf GPS-Basis sowie Vorkehrungen zur Unterstützung von Galileo beschrieben. Das zeigt, dass die Satellitennavigation bei dieser Flugzeugfamilie mit Redundanz und zusätzlichen Nutzungsmöglichkeiten geplant wurde.

Daraus lässt sich jedoch keine unbegrenzte Fähigkeit zum präzisen Flug ohne GNSS ableiten. Ebenso wenig belegt eine allgemeine Herstellerbeschreibung automatisch die vollständige Ausstattung jeder nationalen Ausführung.

Für die Einordnung bei den deutschen Marinefliegern müssen daher allgemeine technische Möglichkeiten und öffentlich bestätigte Systemeigenschaften getrennt betrachtet werden. Konkrete Angaben zu Schutzwirkung, verbleibender Genauigkeit oder maximaler Überbrückungsdauer benötigen belastbare Nachweise für die jeweilige Konfiguration.

Fazit

Eine maritime Drohne kann trotz gestörter Satellitennavigation weiterfliegen, wenn ihre Ausrüstung und die vorgesehenen Verfahren dies ermöglichen. Trägheitsnavigation schafft dafür eine wichtige Grundlage; zusätzliche unabhängige Messquellen können ihre Fehler begrenzen.

Die entscheidende Größe ist jedoch die verbleibende Verlässlichkeit der Navigationslösung. Flugfähigkeit, Positionsgenauigkeit und Auftragsfähigkeit müssen jeweils gesondert bewertet werden.

Gerade über dem offenen Meer zeigt sich deshalb die Bedeutung einer durchdachten Gesamtauslegung: Das Luftfahrzeug muss nicht nur Positionsdaten berechnen, sondern auch erkennen können, wann diese für den nächsten Flugabschnitt oder die weitere Auftragserfüllung nicht mehr ausreichen.