Satelliittipaikannuksen häirintä voidaan jakaa kahteen kategoriaan tavoitteen mukaan: harhautukseen(spoofing) sekä häirintään (jamming). Harhautus on ammattilaisten tekemää tahallista toimintaa, jossa väärennettyä satelliittisignaalia tuotetaan tarkoituksenmukaisella laitteistolla. Häirintää tuotetaan yksinkertaisilla radiolähettimillä eli jammereilla, jolloin satelliittisignaalin vastaanottaminen estetään vahvemmalla, usein tyhjällä signaalilla. Häirintä on myös tahallista ja tarkoituksenmukaista toimintaa, mutta osa häirinnästä (jamming) voi olla tahattoman voimakasta käyttäjän tietotason huomioon ottaen. Häirinnän tavoitteet vaihtelevat laajan häiriön luomisesta oman sijainnin suojaamiseen. Insentiivejä häiriöiden tuottamiseen on useita ja esimerkiksi voimakastehoista häirintää tuotetaan tilanteen mukaan niin kiusaksi kuin suojaksikin. Lamauttamalla satelliittisignaalin vastaanottaminen saadaan estettyä satelliittisignaalin tarjoaman paikannus-, navigaatio- ja aikatiedon (PNT, Positioning, Navigation & Timing) hyödyntäminen esimerkiksi sähkönsiirtoverkon synkronoinnissa tai vaihtoehtoisesti häirinnällä voidaan puolustautua esimerkiksi paikannusta hyödyntäviltä toiminnoilta.
Merkittävä osa matalatehoisesta häirinnästä on yksittäisten kuluttajien luomia tilanteita, joissa pyritään suojaamaan omaa sijaintia suhteessa muihin alueen henkilöihin esimerkiksi estämällä ajoneuvon paikannustietojen kerääminen jammeria käyttämällä. Koska häirintäsignaali leviää ympäristöönsä, on häirintälaitteen toimintasäde mahdotonta rajata suojaamaan vain omaa sijaintitietoa. Tämä aiheuttaa haasteita kaikelle häirintälähetintä välittömästi ympäröivälle häirintätaajuuden toiminnalle riippuen lähettimen tehosta. Matalatehoisia häirintälähettimiä on valitettavan helppoa ostaa, vaikkakin radioliikenteen ja -taajuuksien häirintä on laitonta sekä rangaistavaa niin Suomessa kuin globaalistikin (kuva 1).
Satelliittipaikannuksen häirintä on osa elektronista sodankäyntiä ja merkittävä osa nykyaikaisia sotilaallisia operaatioita sekä hybridivaikuttamista. Tällaisiin käyttötarkoituksiin on omaa, toimintaan kehitettyä kalustoa ja laitteistoa, joiden tehot ovat huomattavasti voimakkaampia, kuin niin sanotut kuluttajalaitteet. Ammattilaistason laitteiden teho on yli kymmeniä watteja, kun kuluttajalaitteiden teho pysyttelee alle muutaman watin. Tehokkailla laitteilla omasuojan luominen sekä häirintä on alueellisesti merkittävää.
Suurin osa häirinnästä kohdistuu taajuuksille, joita käytetään yleisimpiin paikannusta hyödyntäviin palveluihin. Tutkielmassa häirintäsignaali mallinnettiin laajasti paikannuspalveluiden pohjana käytettävälle taajuudelle 1575,42 Hz, joka on GPS:n L1- sekä Galileon E1-signaalin taajuus. Tutkielmassa simuloidaan häirintäsignaalin vaikutuksia kohdeympäristöönsä neljällä pinnanmuodoiltaan sekä käyttötavoiltaan vaihtelevalta alueelta. Tutkimusalueet kuvaavat tunturimaisemaa (Ylläs), alavaa aluetta (Seinäjoki), vesistöaluetta (Kotka) sekä rakennettua kaupunkialuetta (Punavuori, Helsinki). Huomioiden häirinnän luonne, jokainen tutkimusalue on saavutettavissa vähintään jalan sekä autolla.
Häiriöiden vaikutukset vaihtelevat muun muassa häirintälaitteen tehon, häirittävän taajuuden sekä ympäröivän ympäristön mukaan. Tutkielmassa mallinnettiin häirintäsignaali neljän eritehoisen häirintälähettimen mukaan tehoille 500 mW, 1 W, 5 W sekä 40 W, jotta voidaan kuvata matalatehoisten kuluttajalaitteiden sekä voimakkaiden, ammattimaisempien häirintälähettimien merkitystä. Radiolaki kieltää häirintälaitteiden käytön, jolloin kenttätöinä tehtävä tutkimus ei ole mahdollista. Häirintäsignaalin leviämistä estävät fyysiset esteet. Tutkielman häirintäsimulaatioissa tätä tarkasteltiin fyysisen ympäristön, etenkin pinnanmuotojen, osalta. Häirintäsignaalille määritettiin auton keskimääräinen korkeus (1,5 m) kuvaamaan tyypillisintä tilannetta, jossa häirintälähetin sijaitsee autossa. Ympäristön vaihteleva topografia toimii häirintäsignaalia vaimentavana ja ohjaavana tekijänä (kuva 2).
Esimerkiksi Yllästunturin ympäristössä tunturin lakialueet estävät signaalin leviämisen samoin kuin Punavuoressa rakennukset. Santalahden tutkimusalueella taas häirintäsignaali leviää tehokkaasti esteetöntä vettä pitkin, kuten Seinäjoen alavalla maallakin (kuva 3).
Tutkielmassa mallinnetaan häirintäsignaalin leviämistä pinnanmuotojen päällä valituin parametrein, jolloin voidaan kuvata häiriöalueen kokoa ja häirinnän vaikutuksia erilaisissa ympäristöissä. Simulaatiot osoittavat jo matalatehoisten, 500 milliwatin, häirintälähettimien alueellisen vaikutuksen. Pinnanmuodoiltaan vaihtelevimmalla tutkimusalueella, Ylläksellä, 500 milliwatin häirintälähetin kykeni aiheuttamaan 24 neliökilometriä peittävän alueen, jolla häirintäsignaali kykenisi peittoamaan alkuperäisen satelliittisignaalin ja esimerkiksi paikannuspalvelut olisivat joko kokonaan käyttökelvottomia tai paikannustarkkuus olisi huomattavasti tavallista heikompi. Pohja-aineiston rajoitukset korkeusmallien lehtikokojen suhteen rajasivat häiriönalaiset tarkasteltavat alueet lehtijaon mukaiseksi eli 6 x 6 km neliöihin, jolloin tarkan, kansallisen korkeusmalliaineiston, käyttö rajoittui pienelle alalle. MATLAB kykenee kuitenkin mallintamaan häirintäsignaalin yhdysvaltalaisen pohja-aineiston päälle tarjoten yleiskuvan ilmiön vaikutuksista.
Tutkielman tavoitteena oli saada laskettua häirintäsignaalille vastaanotetut voimakkuudet, etenkin erilaisten esteiden jälkeen, luomalla vastaanotinmatriisi häirintälähettimen ympärille. MATLAB-ohjelmisto ja sen RF-työkalupakki eivät kuitenkaan mahdollista häirintäsignaalille luodun vastaanotinmatriisin tarkastelua tästä näkökulmasta. Lähetetylle häirintäsignaalille ei voida laskea voimakkuuksia, joihin topografia on vaikuttanut, sillä MATLAB:in laskentakyvykkyys rajoittuu ainoastaan signaalin häviön (engl. path loss) laskemiseen etäisyyden funktiona. Jatkotutkimustarpeet keskittyvätkin eksaktien tehojen laskemisen mahdollisuuksiin. Nykyiset markkinoilla olevat häiriösimulaattorit eivät tällaisenaan kykene ratkaisemaan haastetta, sillä ne eivät kykene käyttämään pinnanmuotoja kuvaavia, korkeuden sisältäviä aineistoja datanaan. Topografian heikentämän häirintäsignaalin todellisen voimakkuuden selvittämiselle tulee kehittää vaihtoehtoinen tutkimusmenetelmä. Simulointiympäristön suorituskyvyn ja korkeusmallien lehtijaon haasteista huolimatta tutkielmassa esitetty häirintäsignaalin mallinnus toimii visuaalisena representaationa ilmiön alueellisista vaikutuksista ja simulaatiot voidaan toteuttaa annetun koodin mukaan halutuille tutkimusalueille. Tutkielman tuottama näkemys sekä uudelleenkäytettävä menetelmä häirintäsignaalin alueellisista vaikutuksista valottavat häirinnän merkitystä ympäristölleen ja parantavat mahdollisuuksia tarkastella tätä haastavaa ilmiötä erilaisissa ympäristöissä.
Maisterintutkielma on kokonaisuudessaan luettavissa Helsingin yliopiston julkaisuarkistossa osoitteessa http://hdl.handle.net/10138/575156.
Hanna Lahtinen palkittiin vuonna 2024 ProGIS ry:n opinäytetyöpalkinnolla. ProGIS ry jakaa vuosittain paikkatietoalan opinnäytetyöpalkinnon ansioituneille paikkatietoalan opinnäytetyön laatijoille. Lisää tietoa täältä.
