In einer Welt, in der die nationale Souveränität immer wichtiger wird, ist die GNSS-Technologie (Global Navigation Satellite System) zu einer entscheidenden Komponente in verschiedenen strategischen Bereichen geworden. Diese gemeinhin als GPS (Global Positioning System, die US-amerikanische Version von GNSS; in Europa heißt das entsprechende System Galileo) bekannte Technologie soll dazu beitragen, die nationale Sicherheit, die wirtschaftliche Stabilität und den technologischen Fortschritt zu gewährleisten. In ihrem Kern bietet die GNSS-Technologie PNT-Dienste (Positionierung, Navigation und Zeitmessung), die für zahlreiche Anwendungen unerlässlich sind. Die Positionierung ermöglicht eine genaue Bestimmung des geografischen Standorts, die Navigation ermöglicht eine präzise Bewegungs- und Routenplanung und die Zeitmessung gewährleistet die Synchronisierung zwischen verschiedenen Systemen. Zusammen bilden diese PNT-Dienste die Grundlage der GNSS-Technologie.
In diesem Artikel befassen wir von Alcimed uns mit der zentralen Rolle, die GNSS-Technologie heute einnimmt, und insbesondere mit ihren PNT-Funktionen, ihren alternativen Lösungen und den damit verbundenen Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung der Souveränität durch diese Systeme.
Im Verteidigungsbereich ermöglichen PNT-Daten präzise und effiziente militärische Operationen, die für die nationale Sicherheit unerlässlich sind. Die genaue Positionierung stellt sicher, dass Ressourcen wie Truppen und Ausrüstung effektiv eingesetzt werden, während die Zeitplanung synchronisierte Operationen über mehrere Einheiten hinweg gewährleistet. In der Zivilluftfahrt sorgen sie für sichere und optimierte Flüge, wodurch Kosten gesenkt und die Sicherheit erhöht werden. Die Schifffahrtsindustrie verlässt sich auf PNT für den reibungslosen Transport von Gütern weltweit, indem die Technologie z. B. dabei hilft, ohne Sicht zu navigieren und die Position jedes einzelnen Schiffes zu ermitteln. Darüber hinaus profitiert die Landwirtschaft in erheblichem Maße von der erhöhten Effizienz durch Präzisionslandwirtschaft, da die Landwirte die genauen Standorte für die Aussaat, das Ausbringen von Düngemitteln oder die Bewässerung von Pflanzen bestimmen können. Diese Genauigkeit reduziert Verschwendung, optimiert die Ressourcennutzung und steigert die Ernteerträge, was zu einer höheren Effizienz führt. Darüber hinaus spielt GNSS eine entscheidende Rolle bei der Synchronisierung kritischer IT-Systeme und sorgt dafür, dass Finanznetzwerke, Telekommunikation und Energienetze reibungslos funktionieren. In jedem dieser Bereiche ist Präzision nicht nur eine Annehmlichkeit, sondern eine Notwendigkeit für die Maximierung von Effizienz, Sicherheit und Gesamtleistung.
Souveränität in Bezug auf Navigationssysteme ist nicht nur eine technische, sondern auch eine geopolitische Frage. Die Souveränität über Navigationssysteme bedeutet mehr als die Aufrechterhaltung unabhängiger technologischer Fähigkeiten. Sie gewährleistet, dass eine Nation vor Manipulationen und Störungen von außen geschützt bleibt, was schwerwiegende Folgen sowohl für militärische als auch für zivile Aktivitäten haben kann.
Für Länder, die auf ausländische GNSS-Systeme angewiesen sind, ist die Herausforderung der Souveränität in diesem Bereich noch größer. Die meisten Länder verlassen sich auf GPS oder andere globale Systeme, die von anderen Ländern betrieben werden. In Zeiten geopolitischer Spannungen kann diese Abhängigkeit als Waffe eingesetzt werden. Im Falle von Sanktionen oder Konflikten könnte beispielsweise der Zugang zu ausländischen GNSS-Systemen eingeschränkt werden, was alle Bereiche von Verkehrsnetzen bis hin zu den Finanzmärkten lahmlegen und das betroffene Land sowohl für wirtschaftlichen als auch militärischen Druck anfällig machen würde.
Mit der zunehmenden Vernetzung und digitalen Integration von Navigationssystemen sind Cyberattacken zu einer der größten Bedrohungen für die nationale Souveränität geworden. Die Schwachstellen von GNSS geben in mehreren Sektoren, die alle in hohem Maße von der Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Systeme abhängen, zunehmend Anlass zur Sorge. Zu diesen Schwachstellen gehört die Anfälligkeit für Cyberangriffe wie Jamming, eine Technologie zur Unterbrechung oder Behinderung drahtloser Signale und elektronischer Kommunikation, oder Spoofing, eine Praxis, bei der Kommunikation von einer unbekannten Quelle gesendet wird, die als eine dem Empfänger bekannte Quelle getarnt ist. Diese Eingriffe können alle erhebliche und weitreichende Auswirkungen haben.
Die Anfälligkeit dieser Systeme für Jamming und Spoofing stellt eine ernsthafte Bedrohung dar. So wurden beispielsweise während der russischen Invasion in der Ukraine GNSS-Jamming und Spoofing aktiv eingesetzt, um ukrainische Militäroperationen zu stören. Ukrainische Drohnen wurden bei etwa 60 % der Einsätze gestört. Dies unterstreicht die strategische Bedeutung der Sicherung der Souveränität über Navigationssysteme, um Störungen durch potenzielle Gegner zu verhindern.
Auch die Luftfahrtindustrie ist aufgrund von GNSS-Schwachstellen erheblichen Risiken ausgesetzt. Ein Vorfall aus dem Jahr 2020, bei dem ein Cyberangriff auf Garmin zu einem weitreichenden GPS-Ausfall führte, unterstreicht den dringenden Bedarf an sicheren und widerstandsfähigen Navigationssystemen in der Luftfahrt. Der Ausfall führte zu Hunderten von Flugverspätungen und warf ernste Sicherheitsbedenken auf und macht deutlich, wie wichtig die Kontrolle über Navigationssysteme ist, um die Zuverlässigkeit des globalen Flugverkehrsmanagements zu gewährleisten.
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In der Seeschifffahrt können die Folgen von GNSS-Schwachstellen ebenso schwerwiegend sein. Im Jahr 2018 kam es auf Schiffen im Schwarzen Meer zu GPS-Anomalien aufgrund absichtlicher Störungen, die dazu führten, dass mehr als 20 Schiffe ihre tatsächliche Position um Hunderte von Meilen falsch einschätzten. Obwohl keine direkten Kollisionen als Folge dieser Störung gemeldet wurden, löste Vorfall ernste Sicherheitsbedenken aus. Insbesondere in stark befahrenen oder engen Schifffahrtsstraßen stellen solche Vorfälle ein großes Risiko dar. Doch stellen diese Art von Störungen nicht nur wirtschaftliche und ökologische Risiken dar, sondern bedrohen auch die Sicherheit der internationalen Schifffahrtswege. Die Gewährleistung der Souveränität und Sicherheit der maritimen Navigationssysteme ist daher von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Effizienz und Sicherheit des Welthandels.
Die Abhängigkeit des Agrarsektors von GNSS für die Präzisionslandwirtschaft macht ihn besonders anfällig für Störungen. Im Jahr 2018 wurden rund 50 norwegische landwirtschaftliche Betriebe während der NATO-Militärübungen durch GNSS-Jamming beeinträchtigt, was zu überlappenden Saatgutausbringungen, Bewässerungsproblemen und Verzögerungen bei der Ernte führte und möglicherweise bis zu 20-30 % der Felder betraf. Diese Störungen hatten unmittelbare wirtschaftliche Folgen und führten zu mehr Verschwendung, was zeigt, wie wichtig der Schutz von Navigationstechnologien ist, um die landwirtschaftliche Produktivität und die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.
In all diesen Sektoren zeigen die Schwachstellen von GNSS, dass dringend robuste Sicherheitsmaßnahmen und die Entwicklung alternativer Navigationslösungen erforderlich sind, um die mit diesen Schwachstellen verbundenen Risiken zu mindern. Die Sicherstellung der Souveränität und Widerstandsfähigkeit von GNSS ist nicht nur eine technische Herausforderung, sondern ein strategischer Imperativ zur Wahrung nationaler und globaler Interessen.
Da die weltweite Abhängigkeit von GNSS zunimmt, steigt auch der Bedarf an tragfähigen Strategien zur Sicherung von PNT-Daten. In diesem Abschnitt betrachten wir verschiedene Ansätze zur Verbesserung der PNT-Sicherheit, um die Widerstandsfähigkeit in allen kritischen Sektoren zu gewährleisten.
Die Bedrohung durch Cyberangriffe hat sich als eines der größten Risiken für die PNT-Sicherheit erwiesen, insbesondere aufgrund der verstärkten Digitalisierung. Regierungen müssen in fortschrittliche Verschlüsselungstechnologien, kontinuierliche Überwachung und ausgefeilte Cybersicherheitskonzepte investieren, um sich vor digitalen Angriffen zu schützen. In den Vereinigten Staaten arbeitet beispielsweise das Verteidigungsministerium (Department of Defense, DOD) an robusten Verschlüsselungs- und Anti-Spoofing-Maßnahmen, während sich das Heimatschutzministerium (Department of Homeland Security, DHS) auf die Entwicklung von robusten Cybersicherheitsstandards für kritische Infrastrukturen konzentriert. In Europa führt die Europäische GNSS-Agentur (GSA) fortschrittliche Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmechanismen ein, um PNT-Dienste vor Cyber-Bedrohungen zu schützen. Die Herausforderung besteht darin, Technologien zu entwickeln und zu implementieren, die diese Bedrohungen wirksam abwehren und gleichzeitig an die sich weiterentwickelnden Taktiken der Angreifer angepasst werden können, da mit der Weiterentwicklung der Technologie neue Schwachstellen entstehen können, die eine ständige Forschung und Anpassung erfordern.
Herkömmliche GNSS-Satelliten werden in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO) betrieben, aber die Entwicklung von Satellitenkonstellationen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) stellt eine vielversprechende neue Ebene für die PNT-Resilienz dar. Projekte wie FutureNAV der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) oder Synchrocube von Syrlinks (Safran) erforschen LEO-Konstellationen, die häufigere und robustere PNT-Signale liefern könnten. Diese Systeme nutzen häufig neue Frequenzbänder, die nicht nur die Ausfallsicherheit, sondern auch die Präzision und die Durchdringung der Positionsdaten erhöhen. Durch die Integration mit der bestehenden GNSS-Infrastruktur könnten LEO-Satelliten einen umfassenderen und zuverlässigeren PNT-Rahmen schaffen. Aufgrund der hohen Anzahl von Satelliten werden die Auswirkungen einer Störung oder eines Ausfalls eines einzelnen Satelliten verringert, da sich das System auf die anderen Satelliten verlassen kann, um genaue Daten zu erhalten. Aber auch die kürzeren Signalwege aufgrund der größeren Nähe zwischen den Satelliten und der Erde verringern die Zeit, die einem Angreifer zur Verfügung steht, um Signale abzufangen, zu verfälschen oder zu stören. Zudem macht die Verwendung höherer Signalfrequenzen LEO-Satelliten widerstandsfähiger gegen Jamming-Versuche.
Angesichts der Schwachstellen der satellitengestützten Navigation ist die Integration terrestrischer Alternativen in die nationale Infrastruktur entscheidend für die Aufrechterhaltung der PNT-Souveränität. Systeme wie Koppelnavigation, erweiterte Langstreckennavigation (eLORAN) und VOR/DME-Beacon bieten ein zuverlässiges Backup im Falle von GNSS-Störungen. Diese bodengestützten Systeme sind weniger anfällig für Jamming und Spoofing, vor allem weil es sich um lokale Systeme handelt, die stabile und sichere Lösungen für die nationale Abdeckung bieten. Durch die Schaffung von Redundanz mit terrestrischen Systemen können Staaten ihre Abhängigkeit von GNSS deutlich verringern und die Widerstandsfähigkeit ihrer PNT-Funktionen verbessern.
Verschaffen wir uns einen Überblick über die möglichen terrestrischen Lösungen, geordnet nach ihrem Reifegrad, von oben nach unten:
Bei der Radarnavigation werden Radarsignale verwendet, um die Position und Geschwindigkeit eines Objekts durch Messung der Zeitverzögerung und Frequenzverschiebung der reflektierten Signale zu bestimmen. Dies ist z. B. der Fall bei Thales SMART-S Mk2, einem 3D-Überwachungsradar mittlerer Reichweite für Marineschiffe, das Luft- und Oberflächenziele verfolgen und bei der Navigation helfen kann. Diese Methode ist besonders nützlich in Umgebungen, in denen visuelle oder GNSS-Signale behindert werden, wie z. B. in dichten Wäldern, Straßengräben, bei Nebel usw. Radarnavigationssysteme sind robust und zuverlässig, benötigen jedoch viel Energie und können durch elektronische Gegenmaßnahmen beeinträchtigt werden, weshalb sie eher eine ergänzende Technologie als eine eigenständige Lösung darstellen.
Optische Navigationssysteme, die sich auf Kameras stützen, um Terrain und Landmarken visuell zu identifizieren, werden seit vielen Jahren und insbesondere bei Drohneneinsätzen eingesetzt. Diese Systeme bieten eine Alternative, wenn GNSS nicht verfügbar ist, haben aber ihre Grenzen. Die Effektivität der optischen Navigation hängt stark von Umgebungsfaktoren wie Wetter, Geländemerkmalen und Lichtverhältnissen ab. Darüber hinaus erfordern die derzeitigen optischen Systeme häufig die Bedienung durch eine Person und die vollständige Automatisierung stellt eine komplexe Herausforderung dar, die wahrscheinlich Fortschritte in der künstlichen Intelligenz erfordern würde. Die optische Navigation eignet sich daher aufgrund ihrer Abhängigkeit von Umweltfaktoren, ihrer begrenzten Reichweite und Abdeckung (innerhalb des Sichtfelds) sowie ihrer Automatisierungsprobleme eher als ergänzende Lösung zu GNSS. Optics 1 Inc, eine amerikanische Tochtergesellschaft von Safran Electronics & Defense, ist weltweit führend auf dem Gebiet der Elektrooptik und Navigationssysteme.
Um Navigationssysteme noch besser vor Jamming zu schützen, werden derzeit Technologien zum Schutz vor Jamming entwickelt. Diese Systeme zielen darauf ab, die Auswirkungen feindlicher Störversuche zu minimieren, indem der betroffene Bereich verkleinert und die Leistung von Navigationssystemen, die in gestörten Modi arbeiten, verbessert wird. Solche Technologien sind für die Aufrechterhaltung der operativen Fähigkeiten in umkämpften Umgebungen von entscheidender Bedeutung. Das CRPA (Controlled Radiation Pattern Antennas) TopShield von Thales ist ein Beispiel für diese Technologien, die zur Entschärfung von GNSS-Jamming beitragen, indem sie das GNSS-Signal-Rausch-Verhältnis optimieren und die Signalverfügbarkeit in einem 100-fachen Abstand zur Störquelle sicherstellen.
Um Navigationssysteme vor Spoofing zu schützen, bei dem falsche GNSS-Signale die Empfänger in die Irre führen, werden Anti-Spoofing-Technologien entwickelt, um diese Angriffe zu erkennen und zu entschärfen. Diese Systeme überprüfen die Echtheit von GNSS-Signalen und erkennen Unregelmäßigkeiten in den Signalmustern, die auf Spoofing hinweisen könnten. Zu den Maßnahmen gegen Spoofing gehören die Signalauthentifizierung, verschlüsselte GNSS-Signale und der Abgleich mit anderen Navigationsmethoden wie Trägheitsnavigation oder Radar. Ein Beispiel für eine solche Technologie ist TopStar M von Thales, das verschlüsselte Daten verwendet, um sicherzustellen, dass die empfangenen Signale echt und nicht gefälscht sind.
SOOP-Navigation ist ein innovativer Ansatz, bei dem vorhandene Signale von LEO-Satelliten, Kommunikationstürmen, Wi-Fi, Bluetooth oder sogar Rundfunksignalen genutzt werden. Diese Methode stützt sich nicht auf GNSS, sondern nutzt diese „Signals of Opportunity“, um die Position zu triangulieren. Dies ist der Fall bei LocataNet, einem SOOP-System, das in Umgebungen mit Hindernissen oder für militärische Anwendungen in Bereichen ohne GNSS-Abdeckung eingesetzt werden kann. SOOP ist zwar vielversprechend, erfordert aber erhebliche Investitionen in die Infrastruktur und die technologische Entwicklung. Außerdem bedeuten die hohen Kosten und die Komplexität der Einrichtung eines nationalen SOOP-Systems, dass es sich nicht alle Länder leisten können, diese Technologie einzuführen. Dies würde für einige Länder möglicherweise zu einem Verlust ihrer Souveränität führen. Der Erfolg von SOOP hängt in hohem Maße davon ab, dass eine Infrastruktur aufgebaut und aufrechterhalten wird, die für die Navigation geeignete Signale erzeugen und übertragen kann, aber auch von der breiteren Nutzung verschiedener Signale aus unterschiedlichen Quellen, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu verbessern.
Bei der magnetischen Rekalibrierung wird das Erdmagnetfeld als Navigationsreferenz verwendet, eine Technik, die sich noch in der Anfangsphase befindet. Diese Methode hat das Potenzial, universell anwendbar zu sein, da sie eine Navigationslösung bietet, die theoretisch nicht an betriebliche Einschränkungen gebunden ist. Die Entwicklung ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen und die praktischen Anwendungen sind derzeit noch begrenzt. Bei der stellaren Rekalibrierung hingegen werden die Positionen der Sterne als Referenzpunkte verwendet, eine Technik, die in der Himmelsnavigation eine lange Tradition hat. Moderne Entwicklungen zielen darauf ab, diesen Prozess mit Hilfe von hochentwickelten Algorithmen und Sensoren zu automatisieren, wie z. B. im Rahmen des Vision-Projekts, das ein diskretes, nicht-emittierendes Navigationssystem schaffen soll, das immun gegen Jamming und Spoofing ist. Allerdings befindet sich auch diese Technologie noch in einem frühen Stadium und ihre Anwendungsmöglichkeiten sind noch begrenzt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass GNSS zwar nach wie vor ein Eckpfeiler der modernen Navigation ist, die Entwicklung alternativer Systeme jedoch unerlässlich ist, um angesichts der zunehmenden Bedrohungen Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten. Allerdings kann keine einzelne Technologie die Herausforderungen, die sich durch Störungen des GNSS ergeben, vollständig bewältigen, weshalb ein mehrschichtiger Ansatz entscheidend ist. Durch die Kombination mehrerer Technologien können Länder und Industriezweige einen robusten und sicheren Navigationsrahmen aufbauen. Wenn diese Technologien ausgereift sind, werden sie eine entscheidende Rolle bei der Ergänzung und in einigen Fällen möglicherweise beim Ersatz herkömmlicher GNSS-Systeme spielen und den Weg für sicherere und zuverlässigere Navigationslösungen in der Zukunft ebnen.
In einer von geopolitischen Spannungen und rasanten technologischen Fortschritten geprägten Zeit ist die Sicherung der Navigationssouveränität zu einem strategischen Gebot für viele Länder weltweit geworden. Die Kontrolle über Navigationssysteme wie GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou ist nicht nur für die militärische Präzision und die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Stabilität wichtiger ziviler Bereiche wie Welthandel, Verkehr und Notfallmaßnahmen. Die zunehmende Bedrohung durch Cyberangriffe und Signalstörungen macht deutlich, dass die Staaten diese lebenswichtigen Bereiche dringend schützen müssen, um sie vor Manipulationen von außen zu bewahren.
Mit der zunehmenden Abhängigkeit von diesen Systemen steigt auch die Notwendigkeit eines vielschichtigen Ansatzes, der sowohl terrestrische als auch weltraumgestützte Lösungen einbezieht. Die Zukunft der Navigationssicherheit liegt nicht in einem einzigen, monolithischen System, sondern in einem vielfältigen Ökosystem sich ergänzender Technologien.
Neben der Diversifizierung der Navigationsinfrastrukturen besteht ein entscheidender Bedarf an sich weiterentwickelnden Systemen, die sich schnell an die sich ständig verändernde Bedrohungslandschaft anpassen können. Cyber-Bedrohungen, Jamming- und Spoofing-Technologien entwickeln sich in rasantem Tempo und sind den statischen Verteidigungsmaßnahmen oft voraus. Künftige Navigationssysteme sollten daher so flexibel sein, dass sie auf neue Bedrohungen mit Echtzeit-Updates, Software-Patches oder sogar Änderungen der Hardware-Funktionen schnell reagieren können.
Durch die Förderung eines Ökosystems ständig aktualisierter und anpassungsfähiger Technologien können Staaten den Taktiken ihrer Gegner einen Schritt voraus sein und die Widerstandsfähigkeit von Navigationssystemen sicherstellen.
Bei Alcimed setzen wir uns viel mit der Frage der Souveränität und dem Bereich der PNT-Systeme auseinander, um neue Lösungen zu finden und unseren Kunden wichtige strategische Orientierungen zu geben. Wenn Sie sich über diese Themen austauschen möchten, zögern Sie nicht, unser Team zu kontaktieren!
Über den Autor,
Alexandre, Consultant in Alcimeds Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidiungsteam in Frankreich
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