Spökskepp, sädescirklar och mjukt guld: ett GPS-mysterium i Shanghai

C4ADS C4ADS

En kvav sommarnatt i juli 2019, MV Manukai anlände till hamnen i Shanghai, nära Huangpuflodens mynning. Denna livliga biflod till Yangtze slingrar sig genom staden och inkluderar Bund, ett historiskt område vid vattnet och ett turistområde. Shanghai skulle vara det amerikanska containerfartygets sista stopp i Kina innan den gör sin långa hemresa till Long Beach, Kalifornien.

När besättningen noggrant manövrerade det 700 fot långa fartyget genom världens mest trafikerade hamn, tittade dess kapten noga på hans navigeringsskärmar. Enligt internationell lag måste alla utom de minsta kommersiella fartygen installera transpondrar för automatiskt identifieringssystem (AIS). Med några sekunders mellanrum sänder dessa enheter sin identitet, position, kurs och hastighet och visar AIS-data från andra fartyg i området, vilket hjälper till att hålla trånga vattendrag säkra. Positionsdata för dessa transpondrar kommer från GPS-satelliter.

Soar.Earth

Enligt Manukai På sina skärmar ångade ett annat fartyg upp samma kanal i cirka sju knop (åtta miles per timme). Plötsligt försvann det andra fartyget från AIS-displayen. Några minuter senare visade skärmen det andra fartyget tillbaka vid kajen. Sedan var den i kanalen och rörde sig igen, sedan tillbaka vid kajen och sedan borta en gång till.

Så småningom, förvirrad, tog kaptenen upp sin kikare och skannade kajen. Det andra fartyget hade legat stilla vid kajen hela tiden.

När det var dags för Manukai för att bege sig till sin egen kaj, började bron eka till flera larm. Båda fartygets GPS-enheter – den hade två för redundans – hade förlorat sina signaler, och dess AIS-transponder hade misslyckats. Inte ens ett sista hålet nödsystem som också förlitade sig på GPS kunde inte fixa.

Nu visar ny forskning och tidigare osynliga data att Manukai , och tusentals andra fartyg i Shanghai under det senaste året, faller offer för ett mystiskt nytt vapen som kan förfalska GPS-system på ett sätt som aldrig tidigare skådats.

Ron Eggleton / Marinetraffic.com

Ingen vet vem som ligger bakom denna spoofing, eller vad dess slutgiltiga syfte kan vara. Dessa fartyg kan vara ovilliga försökspersoner för ett sofistikerat elektroniskt krigföringssystem, eller sidoskador i en konflikt mellan miljöbrottslingar och den kinesiska staten som redan har krävt dussintals fartyg och liv. Men en sak är säker: det pågår ett osynligt elektroniskt krig om navigeringens framtid i Shanghai, och GPS håller på att förlora.

Mysteriet fördjupas

Även om Manukai så småningom hamnade säkert, dess kapten var tillräckligt orolig för att lämna in en rapport senare samma dag till US Coast Guards Navigation Center, som samlar in rapporter om GPS-avbrott över hela världen.

Alla [antenn] anslutningar är säkrade och torra, skrev han. Det har inte varit några andra problem med dessa enheter. [Jag] misstänker att GPS-signalen störs vid denna kaj.

Faktum är att något mycket farligare hände, och det Manukai Kaptenen var inte medveten om det. Även om det amerikanska fartygets GPS-signaler från början verkade ha fastnat, hade både det och dess granne också blivit förfalskade - deras sanna position och hastighet ersatts av falska koordinater som sänds från marken. Detta är allvarligt, liksom 50 % av alla olyckor till sjöss är kopplade till navigeringsmisstag som orsakar kollisioner eller grundstötningar.

När sjöfarare helt enkelt tappar en GPS-signal kan de falla tillbaka på papperssjökort, radar och visuell navigering. Men om ett fartygs GPS-signal förfalskas kommer dess kapten – och alla närliggande fartyg som spårar den via AIS – att få veta att fartyget är någon annanstans. Inte heller upphörde attackerna en gång Manukai var säkert vid sin kaj. Flera gånger den dagen rapporterade dess AIS-system att det var över tre mil bort.

Wikimedia Commons

En halv värld bort från Shanghai landade ett tips på skrivbordet i Washington, DC hos en forskare vid Center for Advanced Defense Studies ( C4ADS ), en ideell organisation som analyserar globala konflikter och säkerhetsfrågor. Det nya tipset, från en sjöfartsindustrikälla, föreslog att någon förfalskade GPS-signaler i Shanghai.

Detta var första gången som C4ADS hade hört talas om utbredd maritim spoofing som inte uppenbarligen var kopplad till ryssarna. Några månader tidigare hade organisationen publicerat en Rapportera som beskrev hur Ryssland använde GPS-störning på Krim, Svarta havet, Syrien, Norge och Finland. Den innehöll också bevis på att ett ryskt mobilt elektronisk krigföringsteam hade stört GPS-signaler under president Putins offentliga framträdanden.

Efter att ha fått tipset tittade C4ADS på AIS-data, som den köpte från en startup som spelar in AIS-sändningar runt om i världen. Analytiker märkte att attackerna faktiskt hade börjat föregående sommar och ökade allt eftersom månaderna rullade på. Den mest intensiva störningen registrerades samma dag i juli som Manukai Kaptenen rapporterade svårigheter när totalt nästan 300 fartyg fick sina platser förfalskade. Medan störningen påverkade fartyg tvärs över Shanghai, var de flesta av de förfalskade fartygen som navigerade Huangpufloden.

Och detta skilde sig mycket från hackningen som sågs i ryska vatten, där alla fartyg var förfalskade till en enda punkt. Shanghai-data visade att fartyg hoppade med några minuters mellanrum till olika platser på ringar på den östra stranden av Huangpu. Vid en visualisering av data som sträckte sig över dagar och veckor, verkade fartygen samlas i stora cirklar.

C4ADS-forskarna hade aldrig sett cirkulära mönster som detta tidigare. Kanske var det buggar eller skadlig kod i fartygens AIS- eller GPS-system som orsakade effekten? För att utesluta det sökte de data från en annan form av transport helt: cykling.

Kina har ungefär lika många cyklar som resten av världen tillsammans, med nästan 10 miljoner bara i Shanghai. Några av stadens cyklister använder smarttelefonappar för att spåra sina turer. En i synnerhet, Strava, delar en global värmekarta av anonymiserade aktiviteter från de två föregående åren. Genom att zooma in på Shanghai kunde C4ADS-analytiker se samma mystiska cirklar vid floden lysa på Stravas värmekarta. Förfalskningsattackerna påverkade alla GPS-enheter, inte bara de på fartyg.

Det var dags att söka hjälp utifrån. C4ADS delade sina resultat med Todd Humphreys, chef för Radionavigation Laboratory vid University of Texas i Austin och en ledande auktoritet inom GPS-hackning. Humphreys undersökte uppgifterna, men ju närmare han tittade, desto mer förvirrad blev han. Att kunna förfalska flera fartyg samtidigt till en cirkel är extraordinär teknik. Det ser ut som magi, sa han.

I september visade Humphreys en visualisering av data vid världens största konferens för satellitnavigeringsteknik, ION GNSS+ i Florida. Folk var slappa när jag visade dem det här mönstret av spoofing, sa han. De började kalla det för grödor.

En farlig upptrappning?

För att förstå varför experterna är förbryllade, fundera över hur GPS fungerar. Det amerikanska flygvapnet har en konstellation på minst 24 Global Positioning System satelliter som kretsar runt jorden; det finns för närvarande 31. Varje satellit sänder flera komplicerade koder som genereras från sin position och den aktuella tiden, mätt av en superexakt atomklocka ombord. Varje klocka är exakt synkroniserad med de på de andra 30 satelliterna.

Wikimedia Commons

En GPS-mottagare som upptäcker signaler från en satellit kan bara beräkna ungefär hur långt det är från den satelliten. Lägg till signaler från en andra satellit så kan den begränsa sin plats avsevärt. En tredje satellit tillåter den att lokalisera sig själv på en given latitud och longitud, och en fjärde fastställer dess höjd och den exakta tiden. Signaler från fler satelliter ökar noggrannheten.

Medan GPS-satelliter sänder flera olika signaler avsedda för både militär och civil användning, förlitar sig AIS på bara en av dem. Dessa signaler är ganska svaga och kan lätt överröstas — fastna — av även en blygsam sändare på marknivå. De kan också förfalskas av signaler som efterliknar riktiga GPS-satelliter men kodar falska tids- och positionsdata.

Vid spoofing tar vanligtvis varje mottagare inom räckvidd emot samma falska signaler och tror sig därför vara på samma plats. Även om detta är allvarligare än att bara störa GPS-signalerna, skulle en alert kapten säkerligen märka om alla fartyg på navigeringsskärmen plötsligt hoppade till samma plats samtidigt.

Shanghai-skärcirklarna, som på något sätt förfalskar varje fartyg till en annan falsk plats, är något nytt. Jag är fortfarande förbryllad över detta, säger Humphreys. Jag kan inte få det att fungera i matematiken. Det är ett intressant mysterium. Det är också ett mysterium som ökar risken för potentiellt dödliga olyckor.

Kaptener och piloter har blivit väldigt beroende av GPS, eftersom det har varit historiskt mycket pålitligt, säger Humphreys. Om det påstår sig fungera, litar de på det och dubbelkollar inte det så mycket.

Den 5 juni i år Kör 5678 , ett flodlastfartyg, försökte köra om en mindre farkost på Huangpu, cirka fem mil söder om Bund. De Springa undvek det lilla fartyget men plöjde rakt in i New Glory (kinesiskt namn: Tong Yang Jingrui), ett fraktfartyg på väg norrut.

Sina.com

De New Glory tappade sedan kontrollen och svängde in på flodstranden, spridande fotgängare ut på en kvällspromenad. En liten sträcka av banken kollapsade, men som tur var kom ingen till skada.

Även om det inte är säkert om det hände vid det här speciella tillfället, indikerar AIS-data att New Glory förfalskades i Shanghai minst fem gånger under de sex månader som ledde fram till kollisionen, inklusive mindre än två veckor innan. Uppgifterna visar också ett halvdussin attacker mot andra fartyg i staden samma dag.

Till och med Shanghais flodpolis, Huangpu Maritime Safety Administration (MSA), har nästan dagligen blivit utsatt för falska attacker. Uppgifterna visar att en av dess patrullbåtar förfalskades minst 394 gånger på nio månader.

Mjukt guld

En möjlighet är att sädescirklarna är en eskalering i ett sjudande elektroniskt krig i Shanghai som har satt tusentals sjömän, passagerare och till och med själva floden i fara. I flera år har MSA spårat och beslagtagit fartyg som, även om de inte stör eller förfalskar GPS-signaler, har hackat AIS-transpondrarna som hjälper till att hålla Shanghais floder och hamnar säkra. Dessa fartyg har klonat andra fartygs AIS-identiteter för att glida in och ut ur hamnen obehindrat av myndigheterna.

Anledningen till att de gör detta har att göra med lasten New Glory bar när den gick på grund: vanlig, vardagssand.

Kinesiska byggare kallar det mjukt guld. Sand muddrad från Yangtzefloden, som har den idealiska konsistensen och sammansättningen för cement, bidrog till Shanghais byggboom på 1980- och 1990-talen. Vid millennieskiftet hade hänsynslös sandutvinning underminerat broar, förstört ekosystem och fått långa sträckor av flodstranden att kollapsa. År 2000 förbjöd kinesiska myndigheter sandbrytning på Yangtze-floden helt.

Handeln fortsatte dock olagligt och expanderade till att omfatta illegal muddring av sand och grus från Yangtze-mynningen och det öppna havet nära Shanghai. På dagen ser sådana fartyg ofarliga ut. På natten sänker de ner rören till flodbädden för att suga upp tusentals ton sand i en enda session. En full hållning kan vara värd över $85 000. Hittills under 2019 har polisen längs Yangtzefloden beslagtagit 305 sandgruvfartyg och över 100 miljoner kubikfot sand – tillräckligt för att fylla över tusen olympiska simbassänger.

Shanghai MSA säger att illegala sand- och grusfartyg orsakade 23 vrak längs Yangtzefloden 2018, vilket stod för över hälften av alla större olyckor och dödade 53 människor.

Diet

I skydd av mörkret kan AIS vara ett användbart verktyg för en sandtjuv. Fartyg som inte är utrustade eller licensierade för sjöresor, till exempel, har varit kända för att klona sjöfartsbåtars AIS-system för att undvika upptäckt.

Inte heller är sandtjuvar de enda användarna av hackad AIS-teknik. I juni i år rammade en oljetanker med ett klonat AIS-system en MSA-patrullbåt i Shanghai medan han försökte undvika fångst. Polisen tror att det varit oljasmuggling. Fartyg som den här typen drivs vanligtvis av illegala intressen, sa en MSA-tjänsteman. När de väl upptäckts kommer de att slåss mot brottsbekämpning och försöka fly, vilket utgör ett stort hot mot vattennavigeringsmiljön. Vi kommer inte att tolerera sådana spökskepp.

Frågan är nu, är dessa tidigare AIS-hack kopplade till Shanghais nya GPS-cirklar på något sätt? Ett effektivt spoofing-system kan vara värt miljoner för att sanda tjuvar. Genom att förfalska sina egna fartyg kunde de glida osynligt in i hamn. Eller genom att förfalska andra och skapa kaos, skulle smugglare ge sig själva en bättre chans att glida förbi obemärkt. Det kan vara så att förmågan att skapa falska cirklar är en upptrappning av det tekniska kunnandet av sandtjuvarna.

Naturligtvis kan det bara vara en slump att de falska cirklarna inträffar vid en hot spot för AIS-kloning. En annan möjlighet är att den kinesiska staten själv testar ett nytt elektroniskt vapen, kanske för eventuell användning i omtvistade regioner i Sydkinesiska havet.

Även om uppgifterna inte identifierar de skyldiga, innehåller de vissa ledtrådar. Mitten av spoofingcirklarna på Huangpu är en fabrik som ägs av Sinopec Shanghai Petrochemical Company, en stor kemikalietillverkare. Men det är inte klart om aktiviteten är kopplad till anläggningen eller om det bara är platsen dit fartygen förfalskas.

Jag tror inte att det är någon skurk skådespelare, säger Humphreys. Det kan vara kopplat till någon experimentell förmåga som [de kinesiska myndigheterna] försöker testa. Men jag är verkligen förbryllad över hur detta går till.

Rättelse: Datumet i första raden har korrigerats.

Dölj