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pozzobon, oscar (2017) Satellite Navigation Authentication and applications in Aeronautics. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

GNSS is becoming a fundamental mean of navigation for aviation, unmanned aircraft including drones and rockets. Although integrity of the system has been planned and designed since the 70s, little few work have been performed in the domain of security related to satellite navigation systems and aviation. The emerging threats refers to mainly intentional interferences such as jamming and spoofing.
Today in an aircraft cockpit there is a number of technologies that rely on Global Satellite Navigation Systems (GNSS), from flight management to Timing, Navigation and anti-collision to Auto pilot functions. The increasing use of GNSS in the flight management and auto pilot systems and its benefits both for navigation and surveillances are the baseline to design protection and alerting systems for GNSS. This thesis begins with an introduction and review of use of GNSS in aeronautics with a particular focus in aviation. A number of critical avionics components are identified and potential risk and security issues are identified and discussed. A generalized theoretical threat model is defined which can be used as a starting point for risk assessment and analysis of vulnerabilities of GNSS. Attacks are categorized in different sophistication that can be used by risk planners to model the security requirements and probability of risk. The work continues with a theoretical background of GNSS authentication, to introduce the philosophical aspects of GNSS authentication design. Three postulates are announced and explained, which have the objectives to provide an instrument for verification of correct authentication protocol design and verification. The work analyzes two main possibilities for protecting the radio navigation in aeronautics: Aircraft protections, which include protections in the GNSS receiver or integration with other equipment in order to verify and mitigate any attacks, and GNSS System protections, which discusses authentication services that can be implemented in the ground or space component of GNSS. Details and results of all different techniques are presented and discussed for every group of technique presented. A final concluding chapter analyzes the pros and cons of the different techniques and attempts to perform an example of how risk assessment can be performed by government or service providers using as input the safety requirements and comparing them with the different attacks and protection techniques. The work concludes with directions and guidelines for future work.

Abstract (italian)

I sistemi di navigazione satellitare stanno diventando un mezzo fondamentale di navigazione per l’aviazione ed aeronautica e la navigazione senza pilota, incluso droni e razzi. Sebbene l’integrità sia stata studiata ed implementata dagli anni 70, poco è stato fatto per discutere la sicurezza degli stessi nel settore dell’aviazione. I pericoli ed attachi che stanno emergendo sono in particolare interferenze di jamming e spoofing.
Ad oggi nelle cabine pilota dei moderni aerei vi sono installate un gran numero di tecnologie che si basano sui sistemi di navigazione satellitare (GNSS), dalla gestione del volo al tempo, alla navigazione ed anti-collisione, alle funzioni di auto pilota.
L’uso sempre più commune del GNSS nei sistemi di gestione del volo e gli autopilota ed I benefici per sia la navigazione che la sorveglianza sono le basi per il design dei sistemi di protezione ed alert del GNSS.
La tesi inizia con una review ed introudzione al GNSS ed aeronautica con particolare focus all’aviazione civile. Gli elementi critici dell’avionica ed i potenziali rischi e limiti di sicurezza sono identificati e discussi. Un modello teorico generale è presentato e discusso ed usato come base per le discussioni sulla valutazione del rischio e dell’analisi vulnerabilità del GNSS.
Gli attacchi sono categorizzati con diversi livelli di sofisticazione e possono essere usati per pianificare e modellare il rischio
Il lavoro continua con introduzione al background della autenticazione GNSS ed introduce aspetti teorici dell’autenticazione. Tre postulati sono enunciati e spiegati, con l’obiettivo di dare uno strumento per la corretta definizione e progettazione degli schemi di autenticazione.
Il lavoro analizza due maggiori possibilità per introdurre sicurezza nel settore dell’aviazione: protezione a livello dell’aereo e quindi dei sistemi avionici e protezione a livello sistema GNSS.
Un numero di tecniche per la protezione a livello aereo e a livello GNSS sono presentate e per le quali sono state effettuate diverse sperimentaizoni e simulazioni. I risultati vengono presentati e discussi nelle varie sottosezioni e per ogni gruppo di tecniche presentate.
Un capitolo in conclusione confronta le varie tecniche e cerca di fornire uno strumento su cui fare del risk assessment e come baseline per la definizione dei requisiti. Il lavoro conclude con conclusioni generali e proposte per lavoro futuro.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Caporali, Alessandro
Supervisor:Laurenti, Nicola
Ph.D. course:Ciclo 29 > Corsi 29 > SCIENZE TECNOLOGIE E MISURE SPAZIALI
Data di deposito della tesi:01 February 2017
Anno di Pubblicazione:31 January 2017
Key Words:GNSS,Aeronautics
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/05 Impianti e sistemi aerospaziali
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale di ricerca di Studi e attività  spaziali "G. Colombo" (CISAS)
Codice ID:10357
Depositato il:24 Nov 2017 09:54
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