對(duì)GPS接收機(jī)的欺騙式干擾試驗(yàn)研究

王海洋，姚志成，范志良，鄭　堂

（火箭軍工程大學(xué)，西安　710025）

對(duì)GPS接收機(jī)的欺騙式干擾試驗(yàn)研究

王海洋，姚志成，范志良，鄭堂

（火箭軍工程大學(xué)，西安710025）

GPS欺騙式干擾具有發(fā)射功率小，抗干擾難度大的特點(diǎn)，分為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾與產(chǎn)生式干擾。利用衛(wèi)星信號(hào)模擬器產(chǎn)生包含錯(cuò)誤導(dǎo)航信息的GPS民用C/A碼欺騙信號(hào)，通過直接侵入和壓制式干擾輔助兩種方式進(jìn)入接收機(jī)的捕獲跟蹤環(huán)路，對(duì)已定位的某款GPS接收機(jī)實(shí)施欺騙干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，直接侵入方式下，通過合理控制欺騙信號(hào)功率，接收機(jī)定位被擾亂，但定位結(jié)果并未被成功欺騙至預(yù)設(shè)位置；壓制式干擾輔助方式下，接收機(jī)成功誤定位于預(yù)設(shè)位置，驗(yàn)證了對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行欺騙式干擾的可行性。

GPS接收機(jī)，欺騙式干擾，試驗(yàn)驗(yàn)證

0　引言

GPS因其導(dǎo)航定位精度比傳統(tǒng)的慣性定位精度高，在武器精確制導(dǎo)方面廣為應(yīng)用，然而GPS易受干擾的特點(diǎn)成為未來戰(zhàn)爭(zhēng)中衛(wèi)星導(dǎo)航武器的軟肋，因此，研究GPS干擾技術(shù)具有重要的軍事意義。

GPS干擾方法分為兩類：壓制式干擾和欺騙式干擾［1-3］。壓制式干擾所需發(fā)射功率較大，容易被敵方發(fā)現(xiàn)并摧毀，而且隨著自適應(yīng)空時(shí)濾波［4］等抑制技術(shù)的發(fā)展，壓制式干擾的作用越來越有限。欺騙式干擾相對(duì)壓制式干擾所需發(fā)射功率小，因此，抗干擾難度更大［5-6］。

目前針對(duì)GPS欺騙式干擾的研究集中于理論分析與仿真，有關(guān)具體試驗(yàn)的文獻(xiàn)還較少。文獻(xiàn)［7］利用systemview平臺(tái)建立了GPS欺騙式干擾對(duì)抗仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，研究得到了欺騙干擾的部分參數(shù)；文獻(xiàn)［8］對(duì)GPS的捕獲跟蹤過程進(jìn)行了仿真，研究了欺騙信號(hào)在不同延遲條件下對(duì)GPS接收機(jī)的干擾效果；文獻(xiàn)［9］則在仿真的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室中利用衛(wèi)星信號(hào)模擬源對(duì)接收機(jī)進(jìn)行欺騙干擾，具體研究了牽引模式下欺騙信號(hào)功率強(qiáng)度對(duì)干擾效果的影響。本文首先分析了欺騙式干擾的欺騙原理，然后利用某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器［10］產(chǎn)生民用C/A碼欺騙信號(hào)，通過直接侵入和壓制式干擾輔助兩種方式，對(duì)比研究對(duì)某款GPS接收機(jī)實(shí)施欺騙干擾的實(shí)際效果。

1　欺騙式干擾基本原理

GPS測(cè)距采用的是偽隨機(jī)碼測(cè)距原理，即通過測(cè)定信號(hào)的傳播延時(shí)，得到衛(wèi)星與用戶的距離觀測(cè)值ρ（ρ=c，c為電磁波傳播速度），由于衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘不可能嚴(yán)格同步，接收機(jī)利用信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)得的距離并不準(zhǔn)確，因此，稱這種距離為偽距。根據(jù)三球定位原理，只要知道三顆衛(wèi)星到用戶的距離，就可以確定用戶位置，但是衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘存在鐘差，還要再通過一顆衛(wèi)星消除鐘差的影響，其定位基本方程如式（1）所示：

其中（x，y，z）為用戶位置的三維坐標(biāo)，ρ1，ρ2，ρ3，ρ4分別為參與定位解算的4顆衛(wèi)星到用戶位置的偽距，Δt表示衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘的鐘差。

由以上分析可知如果要欺騙用戶接收機(jī)錯(cuò)誤定位，那么就要使接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的偽距或者給出虛假的衛(wèi)星位置，有兩種方式可以達(dá)到以上的目的，一是，在接收機(jī)接收的信號(hào)中調(diào)制錯(cuò)誤的導(dǎo)航信息，比如衛(wèi)星的位置，誤差模型的參數(shù)等；二是，增加衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間，這可以通過在通信鏈路上部署轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述方式，目前欺騙式干擾主要分為兩類：產(chǎn)生式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。

1.1產(chǎn)生式欺騙干擾

產(chǎn)生式欺騙干擾是指根據(jù)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航的信號(hào)結(jié)構(gòu)，生成包含錯(cuò)誤導(dǎo)航信息的高逼真欺騙信號(hào)，通過合理運(yùn)用干擾方法使欺騙信號(hào)侵入到接收機(jī)的基帶處理環(huán)路中，被接收機(jī)捕獲跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)欺騙干擾。

因此，產(chǎn)生式欺騙干擾技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于掌握衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的全部結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于加密的軍用P（Y）碼，要破譯其結(jié)構(gòu)難度很大，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)信息已經(jīng)公開的民用C/A碼，利用其生成欺騙信號(hào)對(duì)接收機(jī)實(shí)施欺騙干擾理論上是可行的。

1.2轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾不需要自主產(chǎn)生欺騙信號(hào)，只是對(duì)接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、放大、轉(zhuǎn)發(fā)，不需要知道衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的具體結(jié)構(gòu)，因此，在對(duì)軍用碼的欺騙干擾方面，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾比產(chǎn)生式欺騙干擾可行性更高。

但是轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)難度較大，需要解決多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，包括單星信號(hào)分離、多通道衛(wèi)星信號(hào)可控實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建、航跡規(guī)劃、延時(shí)量的建模計(jì)算以及欺騙對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡的獲取等。

根據(jù)以上分析，產(chǎn)生式欺騙干擾原理簡(jiǎn)單，而破解信號(hào)結(jié)構(gòu)難度較大，可行性不高；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾可行性高，但技術(shù)復(fù)雜。兩者各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足，但兩者都是立足于對(duì)接收機(jī)偽距測(cè)量產(chǎn)生影響，使其解算出錯(cuò)誤的位置，實(shí)現(xiàn)欺騙干擾。

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

欺騙信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)可能有兩種狀態(tài)，一是，接收機(jī)還未進(jìn)入鎖定狀態(tài)，正處于搜索衛(wèi)星的階段；二是，接收機(jī)已經(jīng)完成捕獲跟蹤，處于鎖定狀態(tài)。對(duì)于前者，欺騙信號(hào)可以直接與衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)；對(duì)于后者，由于接收機(jī)已經(jīng)對(duì)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行了有效的捕獲跟蹤，欺騙信號(hào)不容易侵入。然而對(duì)接收機(jī)進(jìn)行欺騙式干擾時(shí)，第二種情況是比較常見的，因此，欺騙信號(hào)是否能夠侵入接收機(jī)的捕獲跟蹤環(huán)路，以及侵入后能否欺騙接收機(jī)進(jìn)行錯(cuò)誤定位是驗(yàn)證欺騙式干擾可行性的關(guān)鍵。

本試驗(yàn)將針對(duì)第二種情況重點(diǎn)驗(yàn)證上述兩個(gè)關(guān)鍵問題。首先針對(duì)欺騙信號(hào)侵入的問題，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了直接侵入和壓制式干擾輔助兩種方式，從而對(duì)欺騙信號(hào)侵入方式的效率進(jìn)行比較；其次，通過對(duì)某款GPS接收機(jī)定位狀態(tài)的觀測(cè)來判斷欺騙信號(hào)是否能夠造成GPS接收機(jī)的錯(cuò)誤定位。需要說明的是試驗(yàn)中提到的欺騙信號(hào)都是由模擬器產(chǎn)生的民用C/A碼欺騙信號(hào)。

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1　試驗(yàn)設(shè)備布局圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)在開闊的戶外，試驗(yàn)設(shè)備布局如圖1所示，地上的白色物體為抗干擾接收天線；模擬衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線為右螺旋圓極化天線，處于接收機(jī)天線正北方向，大致對(duì)準(zhǔn)接收天線，欺騙信號(hào)由某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器生成；3個(gè)壓制信號(hào)發(fā)射天線為線極化天線，波瓣寬度不超過10°，信號(hào)來自同一信號(hào)源。它們分別處于接收天線的東南西3個(gè)方位，大致對(duì)準(zhǔn)接收天線。

為了保證某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器和天上實(shí)際信號(hào)中發(fā)射的星歷參數(shù)一致，通過接收機(jī)接收當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)靥焐系男l(wèi)星信號(hào)，導(dǎo)出星歷參數(shù)，將星歷參數(shù)導(dǎo)入某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器用于生成欺騙信號(hào)。

2.2試驗(yàn)流程

2.2.1直接侵入方式

在接收機(jī)工作并已經(jīng)鎖定天上實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航解算的情況下，直接向接收機(jī)發(fā)送欺騙信號(hào)進(jìn)行欺騙干擾，其流程圖如圖2所示。

圖2　直接侵入干擾試驗(yàn)流程圖

1）某型GPS接收機(jī)開機(jī)，接收天上衛(wèi)星信號(hào)，并解算位置，此時(shí)接收機(jī)定位情況如圖3所示，接收機(jī)共捕獲跟蹤天上的7顆衛(wèi)星，定位位置為接收機(jī)實(shí)際所在位置（-1 728 249，4 983 024，3 575 262）。

圖3　接收機(jī)未收干擾情況定位

2）開啟衛(wèi)星信號(hào)模擬器，設(shè)定位置為（-1728355，4 983 150，3 575 382），與實(shí)際位置相差200多米。首先設(shè)置欺騙信號(hào)功率不高于實(shí)際信號(hào)功率3 dB時(shí)，接收機(jī)并未受到干擾信號(hào)影響，正常定位；然后設(shè)置欺騙信號(hào)功率高于實(shí)際信號(hào)功率3 dB～8 dB時(shí)，此時(shí)定位情況如圖4所示，接收機(jī)共搜索鎖定13顆衛(wèi)星，比正常情況下多出6顆衛(wèi)星，接收機(jī)顯示的為記憶位置，無(wú)法定位；最后將欺騙信號(hào)功率設(shè)置高于實(shí)際信號(hào)功率8 dB以上時(shí)，接收機(jī)搜星數(shù)少于4顆，無(wú)法定位，可見此時(shí)欺騙信號(hào)對(duì)接收機(jī)已經(jīng)起到了壓制式干擾的作用，使得接收機(jī)失鎖。

圖4　直接侵入式干擾定位結(jié)果

2.2.2壓制式干擾輔助方式

組合試驗(yàn)在直接侵入方式的基礎(chǔ)上，輔助壓制式干擾，其基本流程圖如圖5所示。

圖5　欺騙式與壓制式干擾組合試驗(yàn)流程圖

1）前兩步與直接侵入式相同，先開啟接收機(jī)接收天上衛(wèi)星信號(hào)，完成定位，再開啟衛(wèi)星模擬器生成欺騙信號(hào)。

2）另外一臺(tái)某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器開機(jī)，生成高于實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)功率15 dB的信號(hào)，起干擾源作用，此時(shí)接收機(jī)定位情況如下頁(yè)圖6所示，接收機(jī)完全被壓制，幾乎搜索不到衛(wèi)星，無(wú)法定位。

3）關(guān)閉干擾源10 s左右，接收機(jī)定位情況如下頁(yè)圖7所示，接收機(jī)已鎖定衛(wèi)星信號(hào)模擬器生成的欺騙信號(hào)，接收機(jī)顯示的定位位置為（-1 728 365，4 983 151，3 575 383），接近模擬器設(shè)定的位置。

圖6　干擾源開機(jī)接收機(jī)定位情況

圖7　干擾源關(guān)閉后接收機(jī)定位情況

3　結(jié)果分析

由上述試驗(yàn)可知，某款GPS接收機(jī)鎖定天上衛(wèi)星信號(hào)后，在直接侵入方式下，通過合理控制欺騙干擾信號(hào)的功率，接收機(jī)能夠同時(shí)對(duì)天上真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)和欺騙信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤，但是無(wú)法分辨真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)和欺騙信號(hào)，因此，接收機(jī)仍然無(wú)法定位。

在直接侵入方式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上輔以壓制式干擾，迫使接收機(jī)“失鎖”再重新進(jìn)行捕獲定位，由于欺騙信號(hào)功率略高于真實(shí)信號(hào)，更容易被接收機(jī)捕獲跟蹤，因此，定位結(jié)果為某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器設(shè)定的位置，而不是接收機(jī)所處的真實(shí)位置。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，直接侵入方式對(duì)已經(jīng)處于定位狀態(tài)的某款GPS接收機(jī)欺騙效果不好，在合理控制欺騙信號(hào)功率的前提下，雖然能夠侵入接收機(jī)的捕獲跟蹤環(huán)路，但是難以剔除真實(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)欺騙定位。而輔助壓制式干擾以后，欺騙信號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)某款GPS接收機(jī)的欺騙定位。

4　結(jié)論

GPS欺騙式干擾分為產(chǎn)生式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。本文研究了欺騙式干擾的基本原理，在此基礎(chǔ)上，利用某型衛(wèi)星信號(hào)模擬器產(chǎn)生民用C/A碼欺騙信號(hào)，通過直接侵入和壓制式干擾輔助兩種方式，對(duì)某款GPS接收機(jī)進(jìn)行欺騙干擾，試驗(yàn)結(jié)果表明直接侵入方式雖然迫使接收機(jī)“失鎖”，但是并未使接收機(jī)定位到欺騙信號(hào)上，而通過壓制式干擾輔助方式成功對(duì)GPS接收機(jī)實(shí)施了欺騙定位。需要說明的是，本文在壓制式輔助干擾方法的適用性研究方面仍有欠缺，在接下來的工作中將進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

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Experiment Study of Spoofing Jamming on GPS Receiver

WANG Hai-yang，YAO Zhi-cheng，F(xiàn)AN Zhi-liang，ZHENG Tang
（Rocket Force University of Engineering，Xi'an 710025，China）

Power of spoofing jamming is lower but its spoofing ability is higher，and more difficult to be found.Spoofing jamming consists of repeater spoofing jamming and generation spoofing jamming. In the experiment，GPS spoofing signal generated by a certain satellite signal simulator contains false navigation message，and the GPS receiver has been successfully positioning.To intrude into the tracking loops of GPS receiver，directly invasion method and assist method with suppressing jamming are used respectively.The experiment results show that，in the method of directly invasion，positioning results are disturbed，but are not deceived to the desired position，and with the assist of suppressing jamming，positioning results are deceived to desired position，therefore，the feasibility of spoofing jamming on GPS receiver is confirmed.

GPS receiver，spoofing jamming，experimental confirmation

TN972

A

1002-0640（2016）07-0184-04

2015-06-05

2015-07-28

王海洋（1992-），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與導(dǎo)航對(duì)抗技術(shù)。