Effectiveness of a Bowtie-defined Safety Barrier Against GPS Spoofing in Regional Airline Operation

Abstract

Global Navigation Satellite System (GNSS) interference, particularly GPS spoofing, has increased sharply in recent years, creating significant operational and safety challenges for airline operations. Procedural barriers in aviation rely on human recognition, interpretation, and decision-making, leaving their real-world effectiveness uncertain. This thesis evaluates the effectiveness of a Bowtie-defined procedural safety barrier “GPS navigation disabled in critical airspaces”, implemented by Nordic Regional Airlines (Norra) to mitigate spoofing-related risks. It uses a mixed-methods research design, combining deductive thematic analysis of semi-structured interviews with eleven ATR pilots and quantitative examination of 807 GNSS-related safety reports from 2022 to 2026.

Based on the four key attributes of functionality/effectiveness, reliability/availability, response time and human performance, discovered through literature review, the findings show that the barrier can be highly effective when used proactively. Pilots reported that deselecting GPS before entering known areas of interference prevents nearly all adverse navigation effects. However, its practical performance is strongly influenced by operational realities. Human factors emerged as the primary source of degradation with habituation to constant interference, normalization of deviance, and memory-dependent activation, but also serves as a key contributor to system reliance, providing adaptive experience-based actions to strengthen the overall safety during spoofing events.

Quantitative indicators, including newly developed Barrier Effectiveness Index (BEI), confirmed a dynamic risk environment. Spoofing exposure increased in distinct waves, with early months showing high escalation rates up to 90 percentage of spoofing events requiring ATC vectoring, while later periods showed reduced escalation, suggesting crew adaption and enhanced procedural familiarity. A fleet-level comparison further revealed that proactive GPS deselection in Embraer fleet produced more stable outcomes than reactive application in ATR fleet.

The study concludes that while the barrier is highly effective in principle, its real-world performance varies significantly due to human factors and operational constraints. Organizational recommendations include strengthening training to counter habituation, clarifying activation criteria, reducing reliance on memory, and enhancing data-driven barrier monitoring using KPI and AI-supported tools. The results highlight the need for dynamic, context-sensitive barrier management in aviation safety systems as GNSS interference continues to evolve.

Globaalin satelliittinavigointijärjestelmän (GNSS) häiriöitä, erityisesti GPS:n huijaamista, on viime vuosina havaittu merkittävästi aiempaa enemmän, muodostaen huomattavia operatiivisia- sekä turvallisuushaasteita lentoyhtiötoiminnalle. Ilmailun proseduraaliset suojaukset perustuvat usein henkilöstön havaintoon, tulkintaan sekä päätöksentekoon, lisäten epävarmuutta niiden todellisesta tehokkuudesta operatiivisessa ympäristössä. Nordic Regional Airlines (Norra) on implementoinut Bowtie-malliin perustuvan proseduraalisen suojauksen ”GPS-navigointi pois käytöstä kriittisissä ilmatiloissa”, jota tässä työssä tarkastellaan GPS:n huijaamisen hallinnan näkökulmasta. Työssä on sovellettu monimenetelmällistä tutkimusstrategiaa, jossa on yhdistetty deduktiivinen temaattinen analyysi yhdestätoista ATR- lentäjälle tehdystä haastattelusta sekä 807 GNSS-häiriöihin liittyvän turvallisuusraportin kvantitatiivinen tarkastelu vuosilta 2022-2026.

Kirjallisuuskatsauksessa on tunnistettu neljä keskeistä suorituskykyattribuuttia: toimivuus/vaikuttavuus, luotettavuus/saatavuus, vasteaika ja inhimillinen suoriutuminen. Näiden neljän attribuutin perusteella on havaittu, että suojaus voi olla erittäin tehokas, kun sitä käytetään ennakoivasti. Lentäjien mukaan GPS:n kytkeminen pois ennen tunnetuille häiriöalueille saapumista ehkäisee lähes kaikki navigointihaasteet. Käytännön toimivuutta on kuitenkin heikentänyt operatiivinen kuormitus sekä inhimilliset tekijät, kuten turtuminen jatkuviin häiriöihin, poikkeamien normalisoituminen ja muistinvarainen käyttöönotto. Samanaikaisesti lentäjien toiminta on kuitenkin tärkeä osa järjestelmän mukautumiskykyä, sillä se tuo tilanteisiin kokemukseen perustuvia sekä turvallisuutta vahvistavia toimintatapoja.

Kvantitatiiviset indikaattorit, mukaan lukien uusi Barrier Effectiveness Index (BEI), osoittavat riskin dynaamisen luonteen, jossa GPS:n huijaus todetaan esiintyvän aaltoilevina jaksoina. Varhaisessa vaiheessa jopa 90 prosenttia tapauksista johti lennonjohdolta tarvittavaan vektorointiin, kun taas myöhemmissä jaksoissa eskalaatio väheni, viitaten miehistöjen mahdolliseen sopeutumiseen ja kasvaneeseen menetelmätuntemukseen. Laivastotason vertailu osoitti myös, että GPS:n ennakoiva poiskytkentä Embraer-laivastossa johti huomattavasti vakaampiin lopputuloksiin kuin ATR-laivaston reaktiivinen toimintamalli. Tulokset osoittavat, että vaikka suojaus on erittäin tehokas, sen todellinen suorituskyky vaihtelee merkittävästi inhimillisten tekijöiden ja operatiivisten rajoitteiden vuoksi.

Organisaatiotason suosituksina esitetään koulutuksen vahvistamista häirintään tottumisen torjumiseksi, suojauksen aktivointikriteerien selkeyttämistä, muistiriippuvuuden vähentämistä sekä tietoperusteisen suojausvalvonnan kehittämistä KPI-mittareiden ja tekoälypohjaisten työkalujen avulla. Tulokset korostavat tarvetta dynaamiselle suojaushallinnalle osana turvallisuusjärjestelmiä GNSS-häiriöiden kehittyessä.