GNSS欺騙干擾技術(shù)研究*

龐　晶，倪少杰，聶俊偉，歐　鋼

（國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙　410073）

GNSS欺騙干擾技術(shù)研究*

龐晶，倪少杰，聶俊偉，歐鋼

（國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073）

欺騙干擾是目前衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備面臨的重要威脅，在欺騙干擾條件下，目標接收機接收到的欺騙信號功率大于真實信號，產(chǎn)生錯誤的定位或授時結(jié)果。根據(jù)干擾產(chǎn)生方式的不同將欺騙干擾源分為基于信號模擬器的自主產(chǎn)生式、基于接收機的接收產(chǎn)生式、基于轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)式3類，其中基于接收機的產(chǎn)生式是目前真正實現(xiàn)欺騙攻擊的干擾源。由于欺騙干擾實現(xiàn)形式的復(fù)雜多樣性，對欺騙干擾的實施階段、信號特性的影響和定位授時結(jié)果的影響進行了分析。

GNSS，欺騙干擾，誘導(dǎo)，抗欺騙

0　引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）在軍民領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于到達地面的信號微弱和民用信號格式公開的原因，容易被壓制干擾和欺騙干擾［1］。

欺騙干擾是一種人為干擾，通過發(fā)射與真實衛(wèi)星信號相同或相似的信號，使接收機跟蹤到欺騙信號，從而獲得錯誤的位置或時間信息［2］。與傳統(tǒng)的以功率覆蓋為主的壓制干擾相比，欺騙干擾具有更大的危害性。成功的壓制干擾導(dǎo)致被攻擊目標定位或定時失敗，轉(zhuǎn)而啟用備用導(dǎo)航手段。而被欺騙干擾攻擊的目標接收機常常無法意識到被攻擊，持續(xù)輸出錯誤的定位或定時結(jié)果，從而誘導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊錯誤目標，或是癱瘓諸如電力系統(tǒng)、銀行金融系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等社會民用基礎(chǔ)設(shè)施［3］。

目前一般的接收機尚未采用抗欺騙干擾措施，欺騙干擾逐漸成為衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備面臨的潛在威脅。2011年，伊朗聲稱利用GPS欺騙技術(shù)俘獲美軍RQ-170無人機，2012年美國國防部在欺騙實驗中，成功控制GPS無人直升機下降和爬升［4］。導(dǎo)航設(shè)備的欺騙干擾防護方案研究已成為研究熱點。研究欺騙干擾的實現(xiàn)機理有助于了解導(dǎo)航設(shè)備的弱點及制定抗欺騙干擾策略，是抗欺騙干擾技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

本文從欺騙干擾原理分析了實現(xiàn)對導(dǎo)航或授時型接收機進行欺騙干擾的約束條件，按欺騙干擾的產(chǎn)生方式對干擾模式進行分類介紹，并分析了欺騙干擾可實施時機、信號特性影響、信息處理結(jié)果影響等內(nèi)容。

1　欺騙干擾原理

GNSS接收機的定位原理是同時接收4顆或4顆以上的衛(wèi)星信號，通過測量各個衛(wèi)星信號到接收機的偽距，對方程聯(lián)立求解，得出接收機的定位坐標（x，y，z）和鐘差信息。

通過欺騙干擾GNSS接收機，使其測量得到錯誤的偽距，會得到錯誤的定位或定時結(jié)果。

本文介紹典型欺騙干擾原理，以4星定位為例，欺騙干擾原理示意圖如圖1所示，位于S點的欺騙干擾源發(fā)射欺騙干擾信號，將位于A點的目標接收機欺騙到虛擬點B［5］。在欺騙干擾條件下，目標接收機接收到的信號同時來自衛(wèi)星和干擾源，但干擾信號占據(jù)主導(dǎo)作用，分析時忽略衛(wèi)星信號的影響。

欺騙干擾實施步驟如下：

1）位于S點的干擾源接收4顆真實衛(wèi)星G1、G2、G3、G4的信號，得到偽距（ρS1，ρS2，ρS3，ρS4）；

2）干擾源通過空域濾波或相關(guān)的方法分離各通道信號，根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴▽Ω魍ǖ佬盘栠M行時延調(diào)整，并通過天線發(fā)射出去；

3）位于A點的目標接收機接收欺騙信號，得到偽距（ρB1，ρB2，ρB3，ρB4），計算出定位解算結(jié)果為B點坐標（xB，yB，zB）。

圖1　欺騙干擾系統(tǒng)示意圖

由此可見，欺騙干擾的關(guān)鍵在衛(wèi)星信號的通道分離和計算各通道信號的時延調(diào)整量。單接收天線的接收機會收到所有的可見衛(wèi)星信號，因此，通道的分離通過數(shù)字解調(diào)實現(xiàn)，需要已知偽碼，只能對公開信號進行欺騙。另一種通道分離方法是采用自動跟蹤衛(wèi)星信號的定向天線，通過空域濾波技術(shù)對多顆衛(wèi)星信號進行分離處理，可實現(xiàn)對未知偽碼信號的欺騙干擾。

2　欺騙干擾分類

文獻［5-7］通常根據(jù)產(chǎn)生機理將欺騙干擾源分為產(chǎn)生式和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾源。國外一般根據(jù)信號的復(fù)雜度將欺騙干擾源分為3類［8-9］：簡單干擾、中級干擾和高級干擾，簡單干擾源利用目前市場的信號模擬器與天線組合實現(xiàn)；中級干擾源根據(jù)接收機獲得的真實衛(wèi)星信號參數(shù)估計當(dāng)前目標參數(shù)，重新生成欺騙干擾信號；復(fù)雜干擾源為多個中級干擾源分布式協(xié)同工作，能使得到抗欺騙干擾到達角檢測方法失效。

不論產(chǎn)生式還是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾源，都可以組成單一天線發(fā)射的單點干擾和多干擾源協(xié)同工作的分布式干擾兩種模式。根據(jù)工程實現(xiàn)原理，將欺騙干擾源分為3類：基于信號模擬器的自主產(chǎn)生式、基于接收機的接收產(chǎn)生式、基于信號轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾源。

2.1基于信號模擬器的自主產(chǎn)生式

GNSS信號模擬器是目前廣泛應(yīng)用于接收機測試設(shè)備，可以模擬各種真實環(huán)境中用戶機接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號。通過在一個GNSS信號模擬器，如Spirent公司的GSS8000上配置相應(yīng)的功放和發(fā)射天線，即可制造一個簡單的欺騙干擾源［10］。這種欺騙干擾源實現(xiàn)簡單，所需的設(shè)備市場上均有成熟產(chǎn)品，從而成為目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的最主要欺騙干擾威脅。

基于信號模擬器的欺騙干擾源完全自主產(chǎn)生信號，沒有與真實衛(wèi)星信號同步，因此，其產(chǎn)生的虛假信號會造成接收機失鎖或重捕，這樣就會使得目標產(chǎn)生警覺，即使能防止重捕，也會造成接收機GPS時間估計的巨大變化，很容易被檢測出來。此外，信號模擬器體積龐大，價格高昂也是重要缺點。

2.2基于接收機的接收產(chǎn)生式

基于接收機的欺騙干擾源以美國德州大學(xué)的Todd Humphreys團隊研制的干擾源為代表［8］，它是第一臺真正意義上的GNSS欺騙干擾源。從圖2可以看到，干擾源主要由接收和發(fā)射兩部分組成。發(fā)射部分實質(zhì)是GNSS信號產(chǎn)生器，其信號生成原理與自主產(chǎn)生式欺騙干擾類似，主要區(qū)別是生成信號的參數(shù)來源不同，前者自主設(shè)置，后者是根據(jù)前端接收機真實衛(wèi)星信號的估計結(jié)果，通過算法得到。

圖2　基于接收機的欺騙干擾源框圖

Todd Humphreys團隊利用該干擾源發(fā)射偽造GPS信號，2012年成功控制GPS無人直升機下降和爬升，2013年誘導(dǎo)地中海游艇偏離航線且沒有發(fā)出任何警報，欺騙干擾過程中信號沒有失鎖，具有很高的隱蔽性，具體實施步驟如下［1］：

1）干擾源接收真實信號，估計目標接收機跟蹤信號的碼相位和載波頻率；

2）產(chǎn)生低功率欺騙信號，控制其碼相位在目標接收機跟蹤信號幾個碼片之外；

3）逐步調(diào)整碼相位接近真實信號，同時增大信號功率占據(jù)跟蹤信號主導(dǎo)地位；

4）利用欺騙信號的功率優(yōu)勢牽引相關(guān)峰離開真實信號，實現(xiàn)對目標接收機的控制，如圖3所示。

圖3　欺騙信號滑動牽引鎖定信號相關(guān)峰

該方法需要精確測定目標接收機與欺騙干擾源天線之間的三維位置關(guān)系，實現(xiàn)難度較大［11］，尤其當(dāng)目標接收機處于運動狀態(tài)時。演示試驗中選取的目標接收機是處于靜止?fàn)顟B(tài)的無人直升機和低速運動的游艇。

基于接收機的接收產(chǎn)生式與真實信號接近，可以滯后或提前發(fā)射信號，其缺點是需要了解信號結(jié)構(gòu)，無法未知結(jié)構(gòu)的軍用信號實時干擾。

2.3基于信號轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)式

我國在GPS欺騙方面的研究主要集中在基于信號轉(zhuǎn)發(fā)器的欺騙干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙不需要知道信號格式和偽碼，其最大的優(yōu)點是可以避免對軍碼進行解密的要求。由于技術(shù)的敏感性，國外較少有轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾研究的公開文獻。

簡單的轉(zhuǎn)發(fā)方式為接收真實衛(wèi)星信號，所有通道統(tǒng)一延時放大后再通過發(fā)射天線輻射出去，如現(xiàn)在廣泛用于測試的GPS實時轉(zhuǎn)發(fā)器Re-radiator，可以實現(xiàn)精確重現(xiàn)真實GNSS信號的記錄回放系統(tǒng)，如Spirent公司的GSS6400。這類來源于接收機測試需求的信號播發(fā)方式，可以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)接收機欺騙，但接收機得到的定位解算結(jié)果始終為轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線的坐標，并不算真正意義上的欺騙干擾。

文獻［12］提出一種通過對分布式轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾信號的時延控制，誘偏GPS制導(dǎo)的武器的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)。系統(tǒng)組成為在固定或懸浮在一定高度的平臺上安放多顆延遲轉(zhuǎn)發(fā)式干擾器，采用智能天線和空間濾波技術(shù)，對衛(wèi)星信號進行分選，每顆干擾器分別轉(zhuǎn)發(fā)一顆G星信號，如圖4所示。

圖4　基于分布式轉(zhuǎn)發(fā)器的欺騙干擾系統(tǒng)

文獻［13-15］對該系統(tǒng)的誘偏時延算法、區(qū)域映射比例影響因素、誘導(dǎo)性能、系統(tǒng)平臺優(yōu)化布陣等問題研究，但仍處于理論和仿真研究階段。

由于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙放大轉(zhuǎn)發(fā)，不需要知道偽碼，并且信號到達目標接收機的時延一定大于真實信號到達目標接收機的時延，因此，存在一些固有的問題。

1）接收天線需要采用智能天線陣或可以自動跟蹤衛(wèi)星信號的定向天線，通過空域濾波技術(shù)對多顆衛(wèi)星信號進行分離處理，價格和體積限制應(yīng)用；

2）接收的衛(wèi)星信號為低功率，轉(zhuǎn)發(fā)的信號為高功率，且信號格式完全一樣，收發(fā)隔離問題是實現(xiàn)難點；

3）信號轉(zhuǎn)發(fā)時連同接收噪聲一起放大發(fā)射出去，會抬高目標接收機的噪聲底，容易被檢測；

4）根據(jù)前面的分析，被攻擊目標授時結(jié)果會發(fā)生跳變，容易被檢測；

5）時延難以控制在一個碼片時間內(nèi)，不易侵入被攻擊目標的跟蹤環(huán)路，需與壓制干擾配合使用。

3　欺騙干擾影響分析

欺騙干擾在目標接收機不同工作階段產(chǎn)生的效果不同。此外目標接收機接收到的是欺騙信號與真實衛(wèi)星信號的矢量和，占據(jù)功率主導(dǎo)地位的欺騙干擾信號與真實衛(wèi)星信號和信息存在一定差異，如信號功率、信號功率變化率、信號來向等［16］。接收機可以利用這些特點進行抗欺騙干擾的檢測［17］，這也是欺騙干擾的難點所在。

3.1欺騙實施階段

從被欺騙接收機的角度看，欺騙攻擊階段可以分為捕獲階段和跟蹤階段。

捕獲階段對應(yīng)開機即有欺騙信號，或采用壓制干擾方式強制接收機進入重新捕獲階段。此時接收機還未鎖定信號，需要實施搜索，只要欺騙信號功率大于真實信號功率即可成功實現(xiàn)欺騙攻擊。對于處于捕獲階段，未采取抗欺騙干擾措施的民用接收機，提到的3種產(chǎn)生方式的欺騙干擾源都可以通過其功率優(yōu)勢引導(dǎo)目標接收機對其進行捕獲跟蹤。

跟蹤階段對應(yīng)已經(jīng)跟蹤上真實信號的接收機，要求在不導(dǎo)致接收機失鎖的條件下，侵入并牽引跟蹤環(huán)路，隱蔽性更強。文獻［8］基于接收機的欺騙干擾實施方式，就是對接收機跟蹤階段的攻擊。由于自主產(chǎn)生式欺騙干擾不與真實信號同步，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾滯后真實信號時間可能大于一個碼片，實現(xiàn)侵入目標接收機的跟蹤環(huán)路均存在一定困難，實際產(chǎn)生的干擾效果等同壓制干擾中的寬帶干擾。

3.2信號特性的影響

在接收信號的空域特性上，采用單一天線發(fā)射欺騙的信號，多路欺騙信號到達接收機天線的方向角完全一致，而不同衛(wèi)星的真實實際信號到達接收機天下的方向角是不同的。接收機通過多個天線對接收信號進行到達角檢測是檢測單一發(fā)射源欺騙信號的有效手段，只有多個欺騙干擾源協(xié)同工作的分布式欺騙干擾方式，可以避免被此方法檢測。

在信號特性上，當(dāng)存在欺騙信號時，目標接收機捕獲的信號有以下特點：

1）相關(guān)結(jié)果存在多個相關(guān)峰，欺騙信號相關(guān)峰和真實信號相關(guān)峰；

2）信號絕對功率和信噪比發(fā)生變化，一般為增大；

3）功率變化率與真實衛(wèi)星信號變化存在差異。

因此，接收機可以采用絕對功率監(jiān)測、相對功率監(jiān)測、信號功率變化率監(jiān)測、殘留信號檢測等方法進行抗欺騙檢測［18-19］。

對于接收機跟蹤環(huán)路，有兩種欺騙信號載波生成策略［1］，一是載波與偽碼相位同步調(diào)整，二是調(diào)整偽碼，載波不同步調(diào)整。由于欺騙和真實信號的迭加，同步調(diào)整會引起載噪比測量結(jié)果的劇烈波動，一般選用第二種實現(xiàn)方式。但載波的不同步調(diào)整會影響載波環(huán)和碼跟蹤環(huán)輸出結(jié)果的一致性，接收機可以通過一致性進行抗欺騙檢測。

3.3定位授時結(jié)果的影響

欺騙效果因目標種類而異，使接收機PVT解算結(jié)果錯誤，在欺騙PVT和真實PVT差異比較大時，接收機通過與慣性導(dǎo)航、高度計、測速器等傳感器其他傳感器測量結(jié)果對比，容易檢測出被欺騙。這種情況下，需要逐漸拉偏PVT結(jié)果，保證變化結(jié)果在傳感器誤差范圍內(nèi)［20］。

4　結(jié)論

本文根據(jù)干擾產(chǎn)生方式的不同將欺騙干擾源分為基于信號模擬器的自主產(chǎn)生式、基于接收機的接收產(chǎn)生式、基于轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)式等3類。針對未采用抗欺騙干擾措施的接收機，欺騙干擾很容易實施，有多個成功案例。如果考慮到接收機的抗欺騙措施，對欺騙實施條件有一些約束條件，欺騙有很多技術(shù)難點。欺騙干擾和抗欺騙干擾是“矛”和“盾”的關(guān)系，好的欺騙干擾方式可以提高接收機抗欺騙的代價。在欺騙與抗欺騙的攻防對抗中，欺騙技術(shù)將得到快速的發(fā)展。

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An Overview to GNSS Spoofing Technologies

PANG Jing，NI Shao-jie，NIE Jun-wei，OU Gang
（School of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

GNSS spoofing is an important threat to the current satellite navigation equipment. Under the condition of spoofing，the spoofing signal's power that target receiver received is greater than the real signal，and positioning errors or timing error are induced.According to the different methods of signal generating，spoofing source is divided into three categories：spoofer based on GNSS signal simulator，spoofer based on GNSS receiver and spoofer based on signal transponder re-radiator.The spoofer based on GNSS receiver is truly realizes the spoofing attack to receiver.Due to the complexity of spoofer realization forms，the implementation stage，signal characteristics and the influence to positioning and timing results are analyzed.

GNSS，spoofing，induce，anti-spoofing

TN967.1

A

1002-0640（2016）07-0001-04

2015-06-12

2015-07-07
*

國家自然科學(xué)基金資助項目（61403413）

龐晶（1978-），女，山西新絳人，講師，博士研究生。研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號仿真模擬與接收機測試技術(shù)。