Średnio zaledwie kilkadziesiąt sekund zabiera złodziejom kradzież samochodu wyposażonego w bezkluczykowy system zabezpieczający. Niemiecki automobilklub ADAC w 2019 roku sprawdził ponad 270 aut z tym systemem i doszedł do wniosku, że “przywłaszczenie” ich jest znacznie łatwiejsze niż modeli z klasycznym zamkiem. Tak zwana kradzież “na walizkę” samochodów bezkluczykowych to rosnący problem branży motoryzacyjnej, a firma Aptiv wykorzystując symulację komputerową postanowiła opracować rozwiązanie przeciwdziałające temu procederowi.
Działanie systemu bezkluczykowego dostępu
Systemy bezkluczykowego dostępu są coraz częściej spotykane w pojazdach i sukcesywnie wypierają rozwiązania z kluczykiem i stacyjką. Dzięki nim zyskuje się dużą wygodę korzystania z samochodu. Auto wykrywa, gdy właściciel bezprzewodowego kluczyka zbliża się do niego i pozwala na otwarcie drzwi oraz uruchomienie silnika.
Działanie takiego systemu najczęściej odbywa się dwoma kanałami. Na Rysunku 1. znajduje się przykładowy scenariusz.
Kluczyk jest uwierzytelniany kanałem wysokiej częstotliwości, natomiast kanał niskiej częstotliwości jest wykorzystywany do ustalenia jego lokalizacji na małej odległości.
Rys. 1: Przykładowy system bezkluczykowego dostępu
Zagrożenia przy stosowaniu systemu “keyless”
Wygoda bezkluczykowego dostępu do pojazdu niesie też za sobą niebezpieczeństwo związane z nieuprawnionym dostępem. Wystarczy utworzyć pomiędzy pojazdem a kluczykiem wirtualny kanał transmisyjny. Spowoduje to dostarczenie informacji dotyczących uwierzytelnienia i lokalizacji kluczyka do systemów kontroli dostępu w pojeździe. Taki atak nosi popularną nazwę “ataku na walizkę”.
Z jednej strony systemy bezkluczykowego dostępu są wygodne dla kierowców, ale jak się okazuje, pomagają też złodziejom.
Jak wygląda “atak na walizkę”?
Rys. 2: Przykład “ataku na walizkę”
W dwóch walizkach znajdują się odbiorniki i nadajniki wysokiej i niskiej częstotliwości. Z kolei walizki komunikują się wzajemnie trzecim kanałem długozasięgowym. Wystarczy aby jeden złodziej zbliżył walizkę do kluczyka np. w kinie, czy w kolejce podczas zakupów, a druga atakująca osoba podejdzie z walizką do pojazdu. Systemy auta wykryją walizkę, która przekazuje dane z oryginalnego kluczyka pozwalając na otwarcie drzwi oraz uruchomienie samochodu.
W jaki sposób można przeciwdziałać “atakom na walizkę”?
W klasycznych systemach lokalizacja kluczyka odbywa się poprzez pomiar siły sygnału kanału niskiej częstotliwości. Aby poprawić bezpieczeństwo zamiast wykorzystywać siłę sygnału, mierzony jest czas w jakim sygnał z kluczyka dociera do samochodu. Dzięki temu lokalizacja jest dokonywana precyzyjnie i metoda “ataku na walizkę” już nie będzie działać. Firma Aptiv pracuje nad wykorzystaniem do tego celu systemu Bluetooth. Dodatkową korzyścią może być zastąpienie kluczyka telefonem, który obecnie jest już wykorzystywany np. do płatności zbliżeniowych. Atutem takiego rozwiązania byłby kluczyk, oferujący m.in. cyfrowe współdzielenie pojazdu. Mając odpowiednią aplikację i telefon możliwe byłoby udostępnianie go przez internet.
Wykorzystanie symulacji komputerowych przy analizach systemów bezkluczykowego dostępu
Firma Aptiv – oprócz klasycznego podejścia eksperymentalnego – pracuje nad użyciem symulacji do projektowania i badań systemów bezkluczykowych. Do tego celu wykorzystywane jest oprogramowania Ansys Electronics Desktop oraz Ansys SpaceClaim. Narzędzia te pozwalają na symulację sprzężenia pomiędzy antenami z wykorzystaniem rzeczywistych geometrii pojazdu i środowiska, w którym się on znajduje. Dają one także możliwość odpowiedniego przygotowania uproszczonych modeli symulacyjnych z rzeczywistych projektów 3D karoserii.
Modelowanie sprzężenia między antenami – opracowywanie nowych rozwiązań
Do symulacji sprzężenia pomiędzy antenami użyte zostało oprogramowanie Ansys Electronics Desktop i dostępny w nim solwer HFSS oraz technologia SBR+.
Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator) to symulator układów wysokiej częstotliwości. Za pomocą metody elementów skończonych pozwala na prowadzenie obliczeń trójwymiarowego rozkładu pola elektromagnetycznego zarówno w zakresie bliskim jak i dalekim.
Symulacja anten w naturalnym środowisku umożliwia zbadanie wpływu elementów znajdujących się w bezpośredniej bliskości anteny na jej parametry. Przy symulacji mogą być uwzględniane takie części składowe jak: obudowy, elementy konstrukcyjne lub otoczenia (Rysunek 3).
Rys. 3: Integracja anteny w lusterku samochodowym oraz jej charakterystyka promieniowania wyznaczona przez symulację w programie ANSYS HFSS (niebieski - przed integracją, czerwony - po zintegrowaniu)
Mają one ogromny wpływ na parametry: dopasowania impedancyjnego anteny czy jej charakterystykę promieniowania. Symulacja sprzężenia pomiędzy antenami pozwala na wyznaczenie tłumienności wtrąceniowej i parametrów kanału transmisyjnego.
Technologia SBR+ (Shooting and Bouncing Ray) umożliwia:
- symulację propagacji fal elektromagnetycznych oraz sprzężenia pomiędzy antenami w bardzo dużych scenariuszach,
- zbadanie sprzężenia pomiędzy antenami z uwzględnieniem elementów otoczenia, a także ruchu.
Przykładem zastosowania tej technologii jest symulacja systemu określającego pozycję. W modelu samochodu umieszczono trzy anteny odbiorcze: dwie w lusterkach bocznych i jedną na tylnej szybie, oraz jedną nadawczą (Rysunek 4).
Symulacja ma na celu określenie sprzężenia pomiędzy antenami z uwzględnieniem wpływu czynników zewnętrznych, takich jak karoseria samochodu.
Rys. 4: Prosta symulacja sprzężenia pomiędzy trzema antenami odbiorczymi i jedną anteną nadawczą
Głównym parametrem, który będzie informował o tym jaka część sygnału z anteny nadawczej dociera do anten odbiorczych jest tłumienność wtrąceniowa IL (Insertion Losses). Jest ona definiowana jako: stosunek sygnału, który dociera do anteny odbiorczej do sygnału doprowadzonego do anteny nadawczej. Im bliższa jedności wartość tego współczynnika, tym większa część sygnału dociera do anteny odbiorczej.
Rys. 5: Wykres modułu współczynnika tłumienności wtrąceniowej dla każdej z anten odbiorczych w zależności od pozycji anteny nadawczej
Innymi słowy antena odbiera silniejszy sygnał, a im odbierany sygnał jest silniejszy, tym bliżej anteny odbiorczej znajduje się nadajnik. Odbierając sygnał z 3 anten możliwe jest przeprowadzenie prostej triangulacji celem wyznaczenia pozycji nadajnika. Oczywiście na wartość odbieranego sygnału bardzo duży wpływ ma karoseria, ale na wykresie współczynnika tłumienności wtrąceniowej można zauważyć pewną prawidłowość.
Rysunek 5. przedstawia wykres modułu współczynnika tłumienności wtrąceniowej dla każdej z anten odbiorczych w zależności od pozycji anteny nadawczej.
Dodatkowo wartość zespolona tego współczynnika będzie również przenosiła informację o fazie odbieranego sygnału, czyli możliwe jest też określenie zależności czasowych pomiędzy sygnałami, które docierają do anten.
Oszczędności przy korzystaniu z symulacji komputerowej
Kształt charakterystyki promieniowania samej anteny przeważnie jest książkowy i łatwy do przewidzenia. Kiedy jednak antena zostanie zintegrowana z urządzeniem lub umieszczona w rzeczywistym środowisku, jej charakterystyka ulega diametralnym zmianom. Zmiany te wynikają z obecności innych elementów np. obudowy czy elementów konstrukcyjnych, które wpływają na jej parametry elektryczne. Fale propagując się ulegają osłabieniu, odbiciu i interferencji z tymi elementami, a wypadkowy kształt charakterystyki promieniowania takiej anteny będzie bardzo nieregularny. W klasycznym podejściu aby zweryfikować parametry urządzenia, czy sprzężenia pomiędzy antenami, należałoby przeprowadzić kosztowne i długotrwałe badania w specjalizowanych komorach z wykorzystaniem drogiego sprzętu pomiarowego. Dzięki symulacjom komputerowym można ten proces przeprowadzić wirtualnie na komputerze. Nie bez znaczenia pozostaje tu też kwestia potencjału parametryzacji symulowanego modelu, dzięki czemu można jednocześnie przeprowadzić jego optymalizację. Bez symulacji wymagałoby to wielokrotnych prób i badań. Dlatego symulacja pozwala na uniknięcie wielu często czasochłonnych etapów i przede wszystkim szybkie opracowanie gotowego produktu.
Autorzy artykułu
dr Grzegorz Wyszyński, Technical Manager w Aptiv Poland, odpowiedzialny za rozwój bezkluczykowych systemów w pojazdach.
dr inż. Marek Szymczak, Application Engineer w Symkom. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektromagnetyzmem, wysokimi częstotliwościami oraz obwodami drukowanymi.
Masz pytania?
Skontaktuj się z nami!
+48 22 849 13 92
Globalna firma technologiczna pracująca nad bezpieczniejszymi i bardziej ekologicznymi rozwiązaniami związanymi z przyszłością mobilności. Jedno z Centrów Technicznych tej firmy znajduje się w Krakowie, gdzie opracowywane są m.in. systemy sterowania gestami.