Урок 5. GPS умеет уверенно врать

Урок 5. GPS умеет уверенно врать: сигнатура спуфинга

Паспорт урока

Параметр	Значение
Место в модуле	BeaconRadio, модуль 2 «Физика и данные», урок 5 из 7
Длительность	45 мин
Возраст	14–16
Оборудование	Логи реального случая; смартфон с приложением просмотра спутников
Предварительные знания	Уроки 3–4: NMEA, талкеры, HDOP, свежесть
Предмет	Физика, информационная безопасность, критическое мышление

Уникальность материала. Этот урок построен на собственном наблюдении, зафиксированном при отладке данного проекта: маячок поймал реальный GNSS-спуфинг в эфире. Это не пересказ литературы, а разбор подлинного случая с сохранёнными логами.

Такой материал — сильнейший актив курса и основа конкурентоспособной конкурсной работы (см. документ 5 экспертизы).

Образовательные цели

№	Цель	Блум	Миллер	Чем доказывается
5.1	Распознавать сигнатуру спуфинга по совокупности признаков	анализировать	знает как	Разбор кейса по трём признакам
5.2	Предлагать эвристику детектирования и оценивать её ложные срабатывания	создавать	показывает как	Своя эвристика + условия ложных срабатываний
5.3	Обосновывать необходимость перекрёстной проверки данных	оценивать	знает как	Ответ: почему одного источника мало
5.4	Объяснять, почему хороший показатель качества не доказывает правдивость	понимать	знает как	Разбор «HDOP 1,1 при ошибке 30 км»

Сценарий занятия (45 минут)

Время	Блок	Что делает педагог	Что делают ученики
0–5	Retrieval	Мини-квиз по уроку 4	Пишут, разбор
5–15	Детективная задача	Выдаёт логи без объяснения: «что здесь не так?»	Расследуют
15–25	Разгадка	Механизм спуфинга	Понимают физику
25–33	Сигнатура	Три признака, как проверить за минуту	Составляют чек-лист
33–42	Практика	Эвристики и их ложные срабатывания	Решают задачи
42–45	Итог и ДЗ	Фиксация	Записывают

Блок 1. Детективная задача (5–15 мин)

Подача

Не объявлять тему урока. Выдать данные и предложить расследовать.

«Вот данные с нашего маячка за два разных запуска. Устройство исправно, антенна на месте, прошивка отлажена. Изучите и скажите: что здесь не так?»

Материал для расследования

Запуск 1:

Спутников GPS: 8
HDOP: 1.1
Координата: 55.63, 38.06

Запуск 2 (через час, устройство не перемещали):

Спутников GPS: 9
HDOP: 1.2
Координата: 55.63, 38.05

Дополнительно из строк NMEA:

$GLGSV,1,1,00*65

Известно: реальное положение устройства — примерно в 30 км от показанной точки.

Вопросы для расследования

Показатели качества хорошие или плохие?
Совпадают ли результаты двух запусков между собой?
Что означает строка $GLGSV,1,1,00?
Как объяснить одновременно хорошее качество и ошибку в 30 км?

Что должны заметить ученики

Наблюдение	Обычное объяснение	Почему не подходит
HDOP отличный	геометрия хорошая	но координата неверна на 30 км
Два запуска совпали	значит, измерение стабильно	случайный шум давал бы разброс, а здесь устойчивая одна точка
`$GLGSV,...,00`	ГЛОНАСС видит ноль спутников	над городом при живой антенне это невозможно

Ключевой момент урока. Именно третий пункт — разгадка. Если ученики знают талкеры с урока 3, они способны дойти до него самостоятельно. Дайте время: самостоятельно найденная аномалия запоминается несравнимо лучше.

Блок 2. Разгадка: механизм спуфинга (15–25 мин)

2.1. Базовый уровень

Через подделку голоса.

Представь, что ты ориентируешься по голосу человека, зовущего тебя из тумана. Кто-то записал похожий голос, включил громкоговоритель с другой стороны и заглушил настоящий. Ты честно пойдёшь на самый громкий голос — и придёшь не туда. Ты не ошибся в рассуждении: тебе подсунули неверные исходные данные.
GPS-приёмник в такой ситуации ведёт себя так же: он честно решает задачу по тем сигналам, которые слышит.

2.2. Углублённый уровень

Шаг 1. Как работает спуфинг.

Спуфер — передатчик, излучающий поддельные сигналы, имитирующие спутниковые:

Излучает сигналы в диапазоне GPS L1 значительно мощнее настоящих;
Приёмник, видя более сильный сигнал, «захватывает» именно его;
Поддельные сигналы согласованы между собой так, чтобы дать правдоподобное решение в заданной точке;
Настоящие спутники при этом подавлены.

Шаг 2. Почему HDOP остаётся отличным.

HDOP вычисляется из геометрии сигналов, которые приёмник считает спутниковыми. Спуфер формирует их с идеальной геометрией, поэтому:

\text{HDOP хороший} \ne \text{координата верная}

Приёмник решает корректную математическую задачу с ложными входными данными. Ошибка не в вычислении, а в доверии к источнику.

Обобщение, выходящее далеко за рамки GPS. Показатель качества, вычисленный из тех же данных, которые проверяются, не может обнаружить их подделку. Для этого нужен независимый источник.

Тот же принцип: проверка отчёта по внутренней согласованности не выявит систематической фальсификации; проверка модели на тех же данных, на которых она обучена, не покажет её несостоятельности.

Шаг 3. Почему ГЛОНАСС «видит ноль».

Спуфер обычно подделывает одну систему — чаще всего GPS L1, как самую распространённую. Остальные системы (ГЛОНАСС, Galileo) он не имитирует, а подавляет либо просто не воспроизводит.

Результат — характерная асимметрия:

Система	В норме над городом	При спуфинге
GPS	6–12 спутников	8–9 (поддельные)
ГЛОНАСС	5–10 спутников	0
Galileo	4–8 спутников	0

Ноль спутников ГЛОНАСС при живой антенне и открытом небе физически невозможен — над территорией России группировка обеспечивает устойчивое покрытие. Это и есть кросс-констелляционная сигнатура.

Шаг 4. Почему стабильность точки — тоже улика.

Различение природы отклонения:

Причина	Поведение координаты
Шум измерения	разброс вокруг истинной точки
Плохая геометрия	увеличенный разброс
Спуфинг	устойчивая чужая точка

Случайная ошибка «дрожит». Спуфинг даёт согласованную ложь — и это отличает его от неисправности.

Блок 3. Сигнатура и проверка за минуту (25–33 мин)

Три признака вместе

Сигнатура GNSS-спуфинга (запомнить как связку — по отдельности каждый признак неубедителен):

Координата стабильно чужая — устойчивая точка в 5–50 км от истинной, повторяется между запусками;
HDOP отличный (1–2), спутников GPS много — качество формально прекрасное;
ГЛОНАСС и Galileo видят ноль — при живой антенне и открытом небе это невозможно.

Дополнительный признак: подставная точка часто оказывается характерной — центр крупного города, аэропорт.

Проверка за минуту

«Как убедиться, что проблема в эфире, а не в нашем устройстве?»

Метод: взять смартфон с приложением просмотра спутников (GPSTest или аналог) и встать рядом.

Что показывает смартфон	Вывод
Ту же чужую точку, ГЛОНАСС не виден	отравлен эфир — проблема внешняя
Правильную точку, ГЛОНАСС виден	проблема в нашем устройстве

Это пример перекрёстной проверки независимым прибором — базовый метод инженерной диагностики.

Что можно и чего нельзя сделать программно

Можно	Нельзя
Обнаружить аномалию (нулевой ГЛОНАСС)	Восстановить истинную координату
Пометить данные как подозрительные	Отфильтровать поддельный сигнал
Отказаться принимать решения по такой координате	«Починить» прошивкой

Честная позиция проекта: спуфинг прошивкой не лечится — приёмник верит эфиру. Максимум доступного — обнаружить и честно сообщить. Для маячка безопасности это прямое обоснование того, зачем в пакете существует бит валидности: устройство обязано уметь сказать «я не уверен».

Блок 4. Практические задачи (33–42 мин)

Уровень A (14 лет)

A1. HDOP равен 1,1 — это отличное качество. Означает ли это, что координата верна?

Ответ

Нет. HDOP оценивает только геометрию расположения сигналов — насколько удачно они расставлены для расчёта. Он не проверяет, настоящие ли это спутники. При спуфинге геометрия поддельных сигналов идеальна, а координата ложная.

A2. Почему нулевое число спутников ГЛОНАСС — подозрительно?

Ответ

Над территорией России группировка ГЛОНАСС обеспечивает устойчивое покрытие: при открытом небе и работающей антенне приёмник видит несколько спутников. Ноль при большом числе GPS-спутников означает, что ГЛОНАСС подавлен или не воспроизводится — типичный признак подмены сигнала.

A3. Как за минуту проверить, проблема в нашем устройстве или в эфире?

Ответ

Взять смартфон с приложением просмотра спутников и встать рядом. Если он показывает ту же чужую точку и тоже не видит ГЛОНАСС — проблема внешняя, отравлен эфир. Если смартфон показывает правильное положение — неисправно наше устройство.

Уровень B (14–15 лет)

B1. Два запуска дали почти одинаковую чужую точку. Почему стабильность — аргумент против версии «случайная ошибка»?

Ответ

Случайная ошибка по своей природе даёт разброс: при повторных измерениях результаты рассеиваются вокруг истинного значения. Здесь же оба запуска сошлись в одну и ту же чужую точку с разбросом около километра.

Устойчивое смещение означает систематическую причину, а не случайную. В сочетании с нулевым ГЛОНАСС это указывает на согласованную подмену сигнала.

B2. Предложите эвристику детектирования спуфинга для прошивки. В каких случаях она даст ложное срабатывание?

Разбор

Эвристика 1: скачок координаты. Если между соседними фиксами расстояние больше N километров при хорошем HDOP — поднять флаг подозрения.

Ложные срабатывания: после долгого перерыва в работе (устройство везли в кармане в метро); при первом фиксе после перемещения; при холодном старте до дозревания.

Эвристика 2: нулевой ГЛОНАСС. Если GPS видит более 6 спутников, а ГЛОНАСС ровно 0 — флаг подозрения.

Ложные срабатывания: приёмник, аппаратно не поддерживающий ГЛОНАСС; неудачное расположение антенны, экранирующее часть неба; работа в высоких широтах или под плотной застройкой.

Эвристика 3 (комбинированная): флаг поднимается при совпадении нескольких признаков. Комбинация надёжнее — это тот же принцип композиции признаков, что в детекторе падения (урок 6).

B3. Почему спуфер подделывает GPS, а не ГЛОНАСС?

Ответ

GPS — самая распространённая система, её поддерживают практически все приёмники. Подделка одной системы проще и дешевле, чем всех сразу. Именно эта «экономия» атакующего и создаёт обнаружимую асимметрию: подделанная система работает, остальные молчат.

Общий принцип: упрощение, которое делает атакующий, часто становится признаком, по которому его обнаруживают.

Уровень C (15–16 лет)

C1. Постройте формализованное решающее правило детектирования спуфинга. Оцените, какие ошибки первого и второго рода оно даёт.

Разбор

Правило: поднять флаг подозрения, если выполняются одновременно:

sats_GPS ≥ 6 (сигнал уверенный);
sats_GLONASS = 0 (аномалия);
HDOP < 2 (качество формально хорошее);
координата сместилась более чем на 5 км от предыдущей серии при отсутствии правдоподобной динамики.

Ошибка первого рода (ложная тревога): приёмник без поддержки ГЛОНАСС; экранированная антенна; редкие условия приёма. Оценить долю можно, прогнав правило на «чистых» записях.

Ошибка второго рода (пропуск): спуфер, имитирующий несколько созвездий сразу (дороже, но возможно); спуфинг с малым смещением (несколько сотен метров), не проходящий порог по расстоянию.

Что делать с флагом: не блокировать работу, а понижать доверие — передавать gps_valid = 0 и отдельный признак подозрения. Решение о действиях принимает диспетчер, а не устройство.

Это готовая структура для конкурсной работы — см. документ 5 экспертизы, §3.1.

C2. Почему нельзя просто «отфильтровать» поддельный сигнал в прошивке?

Разбор

Приёмник получает радиосигналы и не имеет способа отличить подлинный спутниковый сигнал от качественной имитации: поддельный сигнал корректен по структуре, кодам и внутренней согласованности. С точки зрения демодулятора это валидный сигнал.

Существующие методы противодействия работают на других уровнях и требуют дополнительных средств:

антенные решётки — определение направления прихода (настоящие спутники сверху, спуфер обычно сбоку);
криптографическая аутентификация сигнала — реализуется в современных системах, но требует поддержки со стороны спутников и приёмника;
сравнение с инерциальными датчиками — расхождение GPS и акселерометра выдаёт подмену;
многосистемность — именно то, что позволило обнаружить случай в нашем проекте.

Вывод: защита от спуфинга требует дополнительной информации извне сигнала. Внутри одного канала задача неразрешима — и это фундаментальное ограничение, а не недоработка.

C3. Обобщите принцип: где ещё встречается ситуация «показатель качества не выявляет подделку»?

Разбор

Область	Ситуация	Что не помогает
Машинное обучение	Модель проверяется на тех же данных, на которых обучена	Высокая точность на обучающей выборке
Финансы	Фальсифицированная отчётность внутренне согласована	Проверка баланса на сходимость
Наука	Подогнанные данные дают отличную корреляцию	Статистическая значимость
Измерения	Прибор с систематическим смещением стабилен	Малый разброс повторных измерений

Общий принцип: внутренняя согласованность данных не доказывает их истинности. Для проверки нужен независимый источник — контрольная выборка, внешний аудит, другой прибор, другая система позиционирования.

Это, пожалуй, самая переносимая идея всего курса.

Ответы на вопросы, которые прозвучат

Вопрос ученика	Как отвечать
«Кто и зачем это делает?»	Спуфинг применяется для защиты объектов от навигации беспилотных аппаратов. Мы столкнулись с побочным эффектом такой защиты — обычные приёмники в зоне действия тоже получают ложные координаты
«Это законно?»	Установка средств радиоэлектронной защиты регулируется государством. Наша задача — не обсуждать законность, а научиться распознавать ситуацию и не доверять данным вслепую
«Значит, GPS вообще нельзя верить?»	Можно — в обычных условиях он надёжен. Но критичные решения не строят на одном источнике. Это верно для любых данных, не только для GPS
«Как тогда испытывать наш маячок?»	Полевые испытания и приёмку проводить в месте реальной эксплуатации, вне зоны воздействия. И всегда сверять результат независимым прибором
«Можно ли определить, откуда идёт спуфер?»	Да — это задача радиопеленгации, которой вы занимались в FoxHunter. Только сложнее: нужны направленные антенны и анализ на другой частоте

Раздаточный лист (для печати)

Урок 5. Сигнатура GNSS-спуфинга
Детективная задача. Данные двух запусков (устройство не перемещали):
Запуск 1 Запуск 2
Спутников GPS 8 9
HDOP 1.1 1.2
Координата 55.63, 38.06 55.63, 38.05
$GLGSV 1,1,00 1,1,00
Реальное положение — в 30 км от показанного.
Что здесь не так? Мои наблюдения:
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Сигнатура спуфинга (три признака вместе):
№ Признак Почему это улика
1 координата стабильно чужая
2 HDOP отличный
3 ГЛОНАСС = 0
Проверка за минуту: ________________________________
Моя эвристика для прошивки:
Условие флага: _______________________________________
Когда даст ложное срабатывание: _________________________
Главный принцип урока:
___________________________________________________

	Запуск 1	Запуск 2
Спутников GPS	8	9
HDOP	1.1	1.2
Координата	55.63, 38.06	55.63, 38.05
`$GLGSV`	`1,1,00`	`1,1,00`

№	Признак	Почему это улика
1	координата стабильно чужая
2	HDOP отличный
3	ГЛОНАСС = 0

Домашнее задание

Обязательная часть

Врайтап по рубрике А. Обязательный пункт: как вы пришли к разгадке в детективной задаче и какой признак оказался решающим.

Уровень A

Установить приложение просмотра спутников и посмотреть, сколько спутников каждой системы видно у вас дома, у окна и на улице. Записать наблюдения.

Уровень B

Предложить свою эвристику детектирования спуфинга и честно перечислить не менее трёх ситуаций, когда она сработает ложно.

Уровень C

Разработать план эксперимента для конкурсной работы: как собрать статистику по спуфингу (сколько наблюдений, в каких точках, какие параметры фиксировать), чтобы результат был доказательным, а не единичным наблюдением.

Ориентир для педагога

Хороший план включает: не менее 20 наблюдений; разные точки и время суток; контрольные измерения в заведомо чистой зоне; фиксацию всех параметров (число спутников каждой системы, HDOP, координата, время); независимую проверку смартфоном; оценку доли ложных срабатываний правила на чистых данных.

Это прямая заготовка конкурсной работы из документа 5, §3.1.

Итог урока: что записать в журнал

Вывод урока 5

Спуфинг — передача поддельных сигналов, из-за которых приёмник честно вычисляет ложное положение.
Хороший HDOP означает лишь удачную геометрию, а не правдивость сигнала.
Сигнатура: стабильно чужая точка + отличный HDOP + нулевой ГЛОНАСС при живой антенне.
Случайная ошибка даёт разброс, спуфинг — устойчивое смещение. Это их различает.
Спуфинг не лечится прошивкой: приёмник верит эфиру. Можно только обнаружить и честно сообщить.
Метод проверки — перекрёстная: независимый прибор рядом.
Общий принцип: внутренняя согласованность данных не доказывает их истинности.

Связь с курсом

Что родилось на этом уроке	Где станет инструментом
Перекрёстная проверка независимым источником	Вся инженерная диагностика
«Показатель качества ≠ правдивость»	WarWalk (ошибка выжившего), защита проектов
Композиция признаков для решения	Урок 6 (три фазы детектора падения)
Различение шума и систематики	WarWalk, RFCurtain
Готовый материал конкурсной работы	Документ 5 экспертизы, §3.1

Чек-лист педагога перед уроком

Логи реального случая распечатаны или выведены на экран
Не объявлять тему заранее — урок строится как расследование
Смартфон с приложением просмотра спутников подготовлен для демонстрации
Проверено, что ученики помнят талкеры с урока 3 (иначе дать подсказку)
Раздаточный лист распечатан
Готов ответ на вопрос «кто и зачем» — нейтральный, без политических оценок

Урок 4. Дозревание и свежесть фикса Урок 6. Три фазы падения