CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI có vai trò điều khiển bật/tắt các mô-đun để tiết kiệm điện năng, sử dụng khi cần thiết. Phần mềm: Phát triển ứng dụng Anroid nhận tín hiệu định vị gửi lên server phân tích, rồi nhận cảnh báo và hiện thị lên giao diện cho người dùng, dồng thời nhận bản tin định vị để phân tích và hiện thi lên bản đồ thông tin vị trí, vận tốc và hướng di chuyển để giám sát.4 Bố cục đồ án Trong đồ án này, các phần còn lại của báo cáo sẽ được trình bày theo bố cục sau: Chương 2 sẽ trình bày về khảo sát vấn đề giả mạo tín hiệu định vị GNSS, đưa ra lý thuyết về vấn đề giả mạo từ đó phân tích yêu cầu các chức năng cần thiết và các thiết bị sử dụng để đáp ứng yêu cầu của đồ án. Chương 3 sẽ giới thiệu các công nghệ và công cụ được sử dụng trong quá trình thiết kế và triển khai, các thông tin chi tiết về công nghệ phần cứng và ứng dụng trong đồ án , đồng thời trình bày về các tính năng chính của các công nghệ phần mềm, cách sử dụng của một số công cụ phát triển.
Chương 4 trình bày chi tiết về quá trình thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in (PCB) của thiết bị giám sát trên một bo mạch duy nhất. Nội dung chương tập trung vào việc phân tích các khối chức năng chính của bo mạch, đồng thời mô tả các bước thực hiện để tạo nên một thiết kế phần cứng hoàn chỉnh. Chương cuối sẽ trình bày một số kinh nghiệm khi hoàn thiện một mạch in (PCB) hoàn chỉnh. Chương 5 đi sâu vào phần mềm được thiết kế cho vi điều khiển Atmega8L và mô-đun Quectel SC20, phần này sẽ trình bày các chế độ ngủ của vi điều khiển cách sử dụng ngắt để tiết kiệm điện năng sử dụng, đồng thời cũng phát triển ứng dụng android với chức năng phân tích bản tin định vị để chống giả mạo, lấy thông tin vị trí, vận tốc của mục tiêu theo dõi và phát triển giao diện ứng dụng.
Chương 6 Tổng kết trình bày về những công việc đã hoàn thiện và định hướng nâng cấp thiết bị trong tương lai. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU Chương 2: Khảo sát và phân tích yêu cầu, chương này sẽ tập trung đưa ra các khảo sát về vấn dề giả mạo định vị và lý thuyết cách thực hiện giả mạo tín hiệu định vị GNSS từ đó phân tích đưa ra các yêu cầu thiết kế về phần cứng và tính năng quan trọng cần phát triển phần mềm cho một thiết bị giám sát hành trình.1 Khảo sát, tìm hiểu Phần này sẽ trình bày tổng quan khảo sát về một số hạn chế của hệ thống hiện tại và về vấn đề giả mạo tín hiệu GNSS.1 Hạn chế của các hệ thống hiện tại Hầu hết các thiết bị thu GNSS hiện tại có những hạn chế sau: Phụ thuộc vào một hệ thống duy nhất (GPS): Khi GPS bị can thiệp hoặc giả mạo, thiết bị không có cơ chế đối chiếu tín hiệu. Không có khả năng phát hiện tín hiệu giả: Thiếu các cơ chế bảo mật hoặc kiểm tra chéo dữ liệu, khiến thiết bị dễ bị đánh lừa. Giới hạn tài nguyên: Các thiết bị IoT thường không đủ tài nguyên để xử lý các thuật toán phát hiện giả mạo phức tạp.
Vậy trước hết cần tìm hiểu về giả mạo GNSS và phương pháp giả mạo từ đó phần tích để tìm giải pháp.2 Tìm hiểu về vấn đề giả mạo tín hiệu GNSS Hệ thống định vị GNSS đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng từ dẫn đường, quản lý vận tải, đến quân sự. Tuy nhiên, tín hiệu GNSS có những đặc điểm khiến chúng dễ bị tấn công giả mạo: Tín hiệu yếu tại mặt đất: Do phát từ vệ tinh ở khoảng cách xa, tín hiệu GNSS rất dễ bị nhiễu hoặc giả mạo. Tín hiệu mở: Các tín hiệu định vị dân sự thường không được mã hóa, tạo điều kiện cho kẻ tấn công khai thác và làm giả. Giả mạo GNSS xảy ra khi tín hiệu giả được phát tới thiết bị thu, làm sai lệch vị trí, thời gian, hoặc tốc độ nhận được.
Điều này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, từ thất thoát dữ liệu đến đe dọa an toàn giao thông hoặc an ninh quốc phòng. Phương pháp tấn công giả mạo: Tấn công tổng hợp (Synthesis Attack) tạo tín hiệu giả mạo dựa trên dữ liệu quỹ đạo, thời gian hoặc cấu trúc tín hiệu GNSS. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU 2.3 Tìm hiểu giả mạo GNSS thông qua bản tin định vị (Navigation Message) Tổng quan về bản tin định vị (Navigation Message): Navigation Message của tín hiệu GNSS cung cấp dữ liệu quan trọng cho thiết bị thu để tính toán vị trí và thời gian, bao gồm: Dữ liệu quỹ đạo (Ephemeris): Cho phép xác định vị trí của vệ tinh. Thông tin thời gian (Time Information): Đảm bảo đồng bộ hóa giữa vệ tinh và thiết bị thu.
Trạng thái vệ tinh (Satellite Health): Kiểm tra tình trạng hoạt động của vệ tinh. Các thông tin này được truyền dưới dạng khung dữ liệu (subframe), mỗi khung dài 300 bit và kéo dài trong khoảng 6 giây. (tham khảo [1]) Giả mạo tín hiệu dựa trên Navigation Message: Kẻ tấn công có thể thao túng hoặc tạo bản tin giả để đánh lừa thiết bị thu: Thay đổi dữ liệu quỹ đạo: Sửa đổi thông tin quỹ đạo để tạo ra vị trí giả mạo. Giả mạo thời gian: Làm sai lệch thời gian truyền để thiết bị nhận thông tin không chính xác.
Tạo bản tin giả hoàn chỉnh: Phát bản tin giả tương tự bản tin thật, làm thiết bị thu nhận thông tin sai lệch mà không phát hiện được bất thường.2 Phân tích hướng giải quyết Dựa trên các tìm hiểu ở phần 2.1 tôi thiết kế hai phương pháp giải quyết vấn đề: Phương pháp một dựa trên các mô-đun có cảm biến như gia tốc, để xác định một vài trường hợp giả mạo bằng cách tính toán vận tốc và quãng đường. Phương pháp này có một hạn chế là không biết giả mạo vào hệ thống vệ tính nào và không loại bỏ được tất cả các trường hợp giả mạo. Phương pháp hai dựa trên phân tích Navigation Message và so sánh với Naviga- tion Message của một nguồn tin cậy.1 Phân tích phương pháp Phương pháp phát hiện giả mạo trên thuật toán: Phương pháp này tôi đề suất sử dụng mô-đun GNSS ublox NEO-M9 có tích hợp phát hiện giả mạo dựa trên cảm biến gia tốc. Đồng thời mô-đun cũng sẽ cung cấp cho phương pháp hai các bản tin định vị cần thiêt.
Phát triển ứng dụng sử dụng Navigatine Message trong phát hiện giả mạo: 5 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU UBX-RXM-SFRBX là cấu trúc tin nhắn được sử dụng bởi các module u-blox trong bản tin có chứa thông tin về Navigation Message, cung cấp thông tin chi tiết về từng khung dữ liệu của bản tin GNSS. Phân tích tin nhắn UBX-RXM-SFRBX cho phép phát hiện các dấu hiệu giả mạo: Kiểm tra thời gian: Độ trễ giữa thời gian thực nhận và thời gian trong bản tin có thể là dấu hiệu của tín hiệu giả. Đối chiếu dữ liệu: So sánh các trường dữ liệu như thời gian, checksum để phát hiện sự không nhất quán.
Kiểm tra chéo quỹ đạo: So sánh dữ liệu quỹ đạo trong tin nhắn với thông tin từ các vệ tinh hoặc hệ thống đáng tin cậy khác. Dựa trên phân tích UBX-RXM-SFRBX, có thể phát triển quy trình phát hiện giả mạo tín hiệu GNSS: Thu nhận bản tin GNSS: Sử dụng giao thức UBX để lấy dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh. Phân tích nội dung bản tin: Đánh giá tính đồng nhất của các trường dữ liệu. Kiểm tra thời gian truyền và nhận.
Xác thực tín hiệu: So sánh với dữ liệu từ các nguồn đáng tin cậy hoặc các vệ tinh khác để phát hiện bất thường. Phát hiện và loại bỏ các tín hiệu không khớp hoặc giả mạo. Dựa trên phương pháp đó phần tiếp theo tôi đề suất các thiết bị có thể đảm nhiệm thực hiện được các nhiệm vụ đã phân tích ở trên.2 Đề suất thiết kế Thiết kế chi tiết phần cứng tôi sẽ trịnh bày rõ hơn trong Chương 4. Trong phần này sẽ trình bày tổng quan qua thiết kế và các thiết bị được chọn để thực hiện đồ án.
Để đáp ứng các mục tiêu và đảm bảo khả năng thu thập, xử lý tín hiệu GNSS, cũng như truyền tải dữ liệu, tiết kiệm điện năng tôi đề suất một số thiết bị phần cứng để đảm nhận nhiệm vụ. Vi điều khiển Atmega8L: Chức năng: Điều khiển bật/tắt các mô-đun GNSS và SC20 nhằm tối ưu hóa năng lượng. Yêu cầu: Có đủ GPIO để điều khiển trạng thái hoạt động của các mô-đun. Tiêu thụ năng lượng thấp để phù hợp với các hệ thống IoT.
KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU Mô-đun GNSS u-blox: Chức năng: Thu thập dữ liệu GNSS thô, bao gồm Navigation Message chứa trong bản tin UBX-RXM-SFRBX của mô-đun ublox và bản tin định vị NMEA chứa các thông tin về vị trí, vân tốc và hướng di chuyển, phát hiện giả mạo dựa trên vận tốc và thuật toán tính toán vận tốc và vị trí. Vai trò: Trích xuất bản tin UBX-RXM-SFRBX để gửi về mô-đun SC20, phục vụ phân tích phát hiện giả mạo. Thu thập bản tin NMEA để xác định vị trí, tốc độ, và thời gian thực. Đưa ra phát hiện một số trường hợp giả mạo.
Yêu cầu đặc biệt: Phải hỗ trợ giao thức UBX và cung cấp dữ liệu GNSS thô ở dạng SFRBX. Hạn chế: không có khả năng kết nối mạng nên cần mô-đun Quectel SC20 làm trung gian và hạn chế trong việc xử lý dữ liệu. Việc phát hiện giả mạo có một số hạn chế không phát hiện được khi bật mô-đun trong môi trường bị giả mạo và không phát hiện được hệ thống nào bị giả mạo. Mô-đun Quectel SC20: Chức năng: Đảm nhận vai trò trung gian, nhận dữ liệu SFRBX từ module u-blox và gửi lên máy chủ thông qua mạng 4G và xử lý dữ liệu NMEA để hiển thị thông tin vị trí, vận tốc và hướng di chuyển.
Vai trò: Nhận dữ liệu GNSS từ module u-blox qua giao tiếp UART hoặc USB. Truyền bản tin SFRBX tới máy chủ qua giao tiếp mạng. Phân tích bản tin NMEA để có thông tin giám sát. Hạn chế: Không hỗ trợ thu thập bản tin SFRBX, nên cần module GNSS riêng biệt.
Kết hợp chức năng phần cứng và phần mềm: Hệ thống sẽ hoạt động theo quy trình như sau: Module u-blox: Thu thập dữ liệu GNSS và gửi bản tin UBX-RXM-SFRBX cùng NMEA tới module SC20 qua giao tiếp UART. Module SC20: Nhận dữ liệu từ u-blox, xử lý sơ bộ và gửi lên máy chủ thông qua mạng 4G hoặc WiFi. Sử dụng bản tin NMEA để hiển thị vị trí và hành trình trên bản đồ.