軍事定位導(dǎo)航授時（PNT）系統(tǒng)應(yīng)對安全威脅的最新進展

張新征

對GNSS的依賴

與民用基礎(chǔ)設(shè)施一樣，美軍許多數(shù)字軍事系統(tǒng)都依賴于GPS來提供可信的PNT數(shù)據(jù)，使得部隊能夠在現(xiàn)代戰(zhàn)場上感知定位。失去對PNT信息的訪問或信任，也就喪失了美軍現(xiàn)代武裝力量支配對手所需的關(guān)鍵信息。

隨著GPS和其他GNSS信號在工作中變得無處不在，對GPS信號可用性和完整性的威脅也與日俱增?，F(xiàn)代國家和犯罪威脅行動者很容易就能獲得可以堵塞和欺騙GPS信號的便攜式設(shè)備。

為了展開與GPS信號可用性和可信性威脅的對抗，當GPS不可用時，必須考慮利用其他技術(shù)，PNT技術(shù)則是在GPS信號丟失期間能夠繼續(xù)運行的秘訣。

GPS已成為最著名的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）星座。它由美國國防部管理，由在約20000km高度地球軌道運行的超過24顆活動衛(wèi)星和數(shù)個備份衛(wèi)星組成。為了確定地球上的位置，必須接收到至少4顆衛(wèi)星的信號。所有衛(wèi)星以規(guī)則的間隔發(fā)射同步脈沖。即使來自衛(wèi)星的脈沖以光速（或接近）行進，因為路程不同，它們也不會同時到達接收器。利用3顆衛(wèi)星的信號延遲，接收器計算出其當前位置的X、Y和Z坐標（“三維定位”）。第4個信號是傳輸開始時間標記所需的：這個時間標記需要非常精確地測量其他3顆衛(wèi)星信號之間微小的傳輸延遲。

對GPS的威脅影響了大量的軍事信息系統(tǒng)，如通信與指揮控制系統(tǒng)、信號情報應(yīng)用、車載導(dǎo)航單元以及傳感器載荷，它們都依賴可信的GPS進行定位、導(dǎo)航與授時，對于所有這些系統(tǒng)，失去了對GPS的接入，都會直接導(dǎo)致其使用效果的降級?？紤]到對GPS及其他GNSS的依賴，新的問題產(chǎn)生了：哪些技術(shù)適用于補充GPS？

對GPS威脅的抑制

GNSS的易損性

簡要地了解GNSS的易損性會有助于更好地理解潛在威脅，從而為今天尋求并移植可用技術(shù)提供方向。

與其他射頻信號相比，GNSS的信號異常微弱。GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率僅在10～100W范圍內(nèi)，當信號到達地球時，它實際上比其頻帶中的大氣背景噪聲水平更弱（這被稱為負信噪比）。換句話說，如果你把一個標準的射頻接收器調(diào)諧到1575.42MHz的GPS L1頻帶中，除了背景噪聲之外你不會聽到任何聲音。

GNSS接收器可以利用其處理增益從噪聲中提取這個微弱信號，因為它“知道”應(yīng)該尋找哪種信號模式：一旦搜索模式與實際信號模式相關(guān)，即檢測到相互匹配，數(shù)據(jù)流的解碼就開始了，可以提取到衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)以及它們與接收器之間的距離。一旦該數(shù)據(jù)可用，接收機就可以計算自身的位置。

現(xiàn)代的多模GNSS接收機可以同時接收到多個GNSS星座的數(shù)據(jù)，因此其可提供較好的信號覆蓋，但是GNSS信號也特別容易受到干擾。

為了更好地理解針對GNSS的威脅，通?？梢詫⑺囊讚p性問題分為兩類——干擾和欺騙。

干擾

干擾通常指利用射頻信號進行有意的干涉。干涉則常被用在自然原因引發(fā)的現(xiàn)象，例如大氣現(xiàn)象。兩者的效果是相同的：使得GNSS接收器從背景噪聲中提取GNSS信號信息的能力受到損害或變得不可能。

非法銷售的GPS干擾機（也稱為個人隱私設(shè)備，PPD）屬于故意干擾的類型，它們通常針對不同的接收機。隨著公眾愈加注重個人隱私，這類設(shè)備可能會隨著時間的推移而變得越來越流行。

軍事接收機使用加密的防欺騙模塊（SAASM）GPS信號，以確保接收到的信號可以被信任。然而，這些信號仍能被一般的技術(shù)設(shè)備所干擾：1～10W的干擾器可以在很大范圍內(nèi)拒止GPS的覆蓋，而不管信號是否被加密。雖然新的M碼在取代防欺騙模塊（SAASM）加密技術(shù)，抵御干擾的能力略有提升，但絕不是免疫的。

欺騙

“欺騙”有時也被稱為復(fù)雜干擾，是為了欺騙GNSS接收器把虛假信號作為真實信號傳輸，以傳播虛假信號的行為。

從技術(shù)的角度來看，欺騙GNSS接收機比干擾更具挑戰(zhàn)性，其后果更為嚴重，因為接收機實際上使用人為信號進行PNT計算，而且無論系統(tǒng)還是操作員都沒有意識到所指示的PNT數(shù)據(jù)已被破壞。

GPS欺騙示意圖

欺騙攻擊的第一步是將欺騙設(shè)備與實時空中信號同步，以捕獲已經(jīng)跟蹤真實信號的接收器，這包括同步到實時空中時間信號、位置信號和功率電平。

在同步成功之后，就可以逐漸增加功率電平，從而掩蔽真實信號，并且可以開始人為操縱定位和授時數(shù)據(jù)。

干擾與欺騙案例

以下是發(fā)生的幾個干擾與欺騙案例。

——據(jù)海事媒體2017年7月報道，大約20艘船在黑海中被自動識別系統(tǒng)（AIS）引導(dǎo)到一處據(jù)稱偏離實際位置的地方。海事交通等跟蹤網(wǎng)站使用了錯誤的AIS數(shù)據(jù)，并臨時向內(nèi)陸“搬遷”受影響的船只。該欺騙事件可能是由俄羅斯系統(tǒng)造成的。俄羅斯被認為已經(jīng)廣泛使用GPS干擾技術(shù)，并繼續(xù)保持自己的陸地羅蘭系統(tǒng)，以作為其全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)格洛納斯（GLONASS）的補充。

——據(jù)報道，在2015年夏季的一個不公開的日子里，幾艘駛離一個非美國港口的艦船突然失去了GPS信號。在這種情況下，美國海岸警衛(wèi)隊于2016年1月發(fā)布安全警報，警告水手們失去GPS信號的潛在后果。

——2013年8月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）做出了一項對個人罰款近3.2萬美元的決定，該人士曾經(jīng)于2012年在紐瓦克機場附近，非法使用GPS干擾裝置干擾了航空安全系統(tǒng)。

正如這些案例所示，信號中斷可以導(dǎo)致信號變得不可讀，或者會破壞信號的真實性。為了對抗GPS信號可用性和可信性的威脅，必須將其他技術(shù)和機會信號融入可靠的PNT系統(tǒng)中，從而使它們能夠在GPS被拒止的環(huán)境中運行。

針對機載GPS跟蹤設(shè)備的機動式干擾機

民間自制GPS欺騙設(shè)備致使游艇偏離航向

干擾探測與抑制

對抗干擾的技術(shù)被稱為干擾探測與抑制（IDM）。針對干擾與欺騙的防護也屬于“反干擾”保護傘的組成部分。

當需要回答如下問題，即：什么使PNT應(yīng)用能夠抵御欺騙與干擾？

簡短的回答是：將強有力且協(xié)調(diào)良好的IDM方案融入PNT系統(tǒng)，能夠使其對抗干擾和欺騙。

詳細的最佳答案正如下圖所示，它描述了能夠用于增強PNT方案的不同技術(shù)，可獲得技術(shù)上有效分散的備份PNT源。這些來源可以是專用的導(dǎo)航系統(tǒng)，但也可以是不相關(guān)的技術(shù)，如蜂窩系統(tǒng)，它被設(shè)計為不同的目的，可以在某些情況下，提供有用的PNT數(shù)據(jù)。

信號源選擇的總目標應(yīng)始終是實現(xiàn)不同技術(shù)和不同平臺的組合，例如，地面與空間、微波與長波等，從而降低多個PNT信號源被干擾影響的可能性。

帕拉丁自行榴彈炮上的CRPA智能天線

針對干擾的防護

首先是阻止非預(yù)期或干擾信號與數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)。這一目的可以通過使用電控定向天線來完成，它也被稱為受控接收模式天線（CRPA）或“智能”天線。

另一種保護GNSS接收機免受干擾的技術(shù)方法是水平屏蔽天線。這種類型的天線會拒絕來自靠近地平線的信號，因為這些信號是由地面干擾機發(fā)射的可能性更大。

干擾探測

及時準確地探測干擾事件，涉及到使用所有可用信息向基于GNSS的PNT系統(tǒng)用戶發(fā)布關(guān)于威脅存在的預(yù)警和提示。GNSS接收機越來越多地具備了干擾探測功能，該功能將告知用戶干擾與拒止服務(wù)的情況，至少在信號意外丟失的情況下，提供更快的診斷選項。

安裝在基于GNSS系統(tǒng)上的軟件解決方案，是一種相對較新的探測干擾或欺騙攻擊的方法，可以通過應(yīng)用誤差檢測算法來監(jiān)視GPS信號頻帶。該軟件可以檢測到GNSS接收機是否遭受欺騙，并且在信號丟失的情況下，可以提供關(guān)于信號丟失原因的有價值信息。該軟件的算法可以識別導(dǎo)致信號減弱的干擾事件。如果超出了監(jiān)控信號的閾值，則時間服務(wù)器將發(fā)出警報，并在內(nèi)部時基被破壞之前判定GPS參考信號無效。

彈性PNT系統(tǒng)的備份信號概覽

智能參考信號監(jiān)控軟件

這種類型的軟件可以在時間服務(wù)器上運行，該服務(wù)器除了GNSS信號之外，還有額外的時間參考信號輸入，例如慣性導(dǎo)航積分陀螺儀（IRIG）輸入和/或精準時間協(xié)議（PTP）時鐘信號。該軟件將連續(xù)比較這些參考信號：如果GNSS參考信號超過軟件確定的基于相位誤差的有效閾值，就表明是一起干擾或欺騙事件，軟件將自動發(fā)出警報以通知用戶。它也可以被編程設(shè)置為禁用該GNSS參考信號，并返回到前一個最佳參考信號，而無需用戶任何介入。這使得該軟件模塊既是干擾探測工具又是干擾抑制工具。有效性閾值是利用長期平均值和標準偏差計算得出的。把實際相位測量值與這些閾值進行比較，就可以檢測到短期的相位漂移和躍遷。該參考信號監(jiān)控軟件也可以利用時間服務(wù)器上機（車）載振蕩器的某些特性，例如時效和溫度穩(wěn)定性，來計算頻率閾值，然后使用頻率閾值來驗證實時頻率的測量值。

參考信號監(jiān)控還提供了這樣一種可能性，即基于相位與頻率統(tǒng)計值，使用聚類技術(shù)將參考信號分組，并對它們加以比較，從而探測到異常值。

干擾抑制

這里干擾抑制的意思是在分離出不需要的參考信號之后，快速拒絕和替換它，從而將系統(tǒng)失效降低到最低程度。本質(zhì)上，這涉及到使用增強技術(shù)和多樣化策略來對GPS/GNSS系統(tǒng)提供額外的補充，從而降低對它的依賴。

在軍事應(yīng)用方面，首要的干擾抑制措施是盡可能地利用SAAMS/M碼，或者使用多頻接收機。另一種方法是使用能夠獨立接收和處理每個星座的GNSS接收機，然后，可以對這些不同星座的實時參考信號進行比較，以探測出可能是由于欺騙所引起的任何星座中的可疑變化（類似于上文所述參考信號監(jiān)控軟件）。

延遲解決是另一種暫時丟失GNSS參考信號時行之有效的技術(shù)方法，例如用于導(dǎo)航系統(tǒng)的時間振蕩器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。后者使用加速度計測量加速度，用陀螺儀來測量方向（導(dǎo)航）。這些裝置的測量行為不需要任何外部參考信號的輸入，并且對干擾具有免疫力。高端慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠在沒有外部參考信號的情況下發(fā)揮作用，從而填補失去GNSS參考信號的空缺，但是隨著時間推移帶來誤差的根本問題仍然無法解決。

其他技術(shù)也因有助于增強PNT系統(tǒng)的彈性，而使其成為GPS增強系統(tǒng)。其中部分方案基于電子羅蘭（eLOGAN）等已有技術(shù)。還有一些技術(shù)起初并非用于PNT領(lǐng)域，如基于視覺的系統(tǒng)。

眾源導(dǎo)航正在成為一個越來越流行的概念：如果一個集成到機動作戰(zhàn)平臺上的PNT解決方案失去了參考信號，它仍然可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)具有已知位置的節(jié)點進行通信。在這種情況下，PNT解決方案可以通過確定到節(jié)點的距離來推斷其位置。在無線網(wǎng)絡(luò)上，通過精確地測量數(shù)據(jù)來回發(fā)送的時間延遲，就可以很容易地測量出相互之間的距離。

諸如WIFI和蜂窩通信信號等機會信號，通常是從其他用途的系統(tǒng)中“借用”的，因而也屬于眾源導(dǎo)航。

下文將討論一種新技術(shù)，在今天該技術(shù)可用于加固基于GNSS的時間與頻率系統(tǒng)，在某些情況下甚至取代GNSS參考信號（該技術(shù)應(yīng)用于低速機動平臺定位與導(dǎo)航的方案正在研發(fā)中）。該系統(tǒng)被稱為衛(wèi)星授時與定位（STL），其信號由銥衛(wèi)星提供。銥衛(wèi)星是由圍繞地球的66顆通信衛(wèi)星組成。

衛(wèi)星授時與定位

薩特爾斯公司的衛(wèi)星授時與定位服務(wù)，為GPS星座提供了一個備用的太空PNT源。其目的是通過銥衛(wèi)星系統(tǒng)的尋呼機信道，向地面接收器提供可接收的PNT信號。該系統(tǒng)在運行之中，且目前就可投入使用。因為銥衛(wèi)星運行在更近的地球軌道上，所以STL的信號比GNSS信號要強。事實上，該信號可以在室內(nèi)接收，也無需地面基礎(chǔ)設(shè)施的輔助，且具有更強的抗干擾性。

STL信號經(jīng)過加密，用戶被授予私用密鑰用于信號的解密。STL的密碼安全特性使其具有針對故意欺騙的杰出彈性。STL完美地增強了GPS和其他基于位置的技術(shù)，也提供了絕對高度的安全性。

衛(wèi)星授時與定位是如何工作的？

用于STL的銥衛(wèi)星在低地球軌道上運行，這意味著它們能夠提供強信號，反映了與地球的相對接近。低空使軌道周期縮短到100分鐘左右，明顯小于GPS的12小時軌道周期。

值得關(guān)注的還有STL提供的地理位置安全性。解密代碼與惟一的數(shù)據(jù)包相關(guān)聯(lián)，該數(shù)據(jù)包表明是從哪個衛(wèi)星和波束接收到的消息。

針對地球上某一地區(qū)，這些數(shù)據(jù)包只能在特定的時間接收到，因此對于某一位置的可信度是毋庸置疑的，例如在特定時間位于特定地點的船只，從而為艦載定位和通信系統(tǒng)提供了安全性。這使得STL成為一個強大的網(wǎng)絡(luò)安全認證因素。因為它是一個被加密的信號，所以無法被欺騙。

利用STL進行位置確定

STL的定位和導(dǎo)航通常是不精確的，因為受較低軌道、較高速度移動星座幾何輪廓的影響，星座中只有2個或3個衛(wèi)星會同時出現(xiàn)在視野中。銥衛(wèi)星軌道被設(shè)計用于優(yōu)化通信連接性，而不是導(dǎo)航。而且，發(fā)射信號的窄帶寬限制了測距精度。它的定位誤差是標準GPS品質(zhì)因數(shù)的10～50倍。這對于大多數(shù)快速移動的應(yīng)用場景來說不夠精確。然而，通過與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（1NS），再加上雷達或海事自動識別系統(tǒng)（AIS）的組合，STL可在信號衰減的情況下用于增強GPS的定位和導(dǎo)航操作。對每個衛(wèi)星距離和多普勒頻移的跟蹤，將有助于減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的漂移。

還要注意的是，銥衛(wèi)星的軌道呈南北向。由于軌道會聚而導(dǎo)致在極點附近的覆蓋范圍增加——這使得STL非常適合在北極地區(qū)的導(dǎo)航。

總的來說，STL提供了一種非常有效的方法使得授時應(yīng)用具有彈性。與其他信號或慣性測量相結(jié)合，STL還可以提高某些定位以及導(dǎo)航應(yīng)用的彈性。

干擾測試

測試設(shè)備針對干擾和欺騙的實際易損性，這涉及到通過在實驗室復(fù)制威脅來持續(xù)改進的過程，以創(chuàng)新和采用新的干擾探測和抑制策略。

美國軍方進行了反干擾實況空中測試，以評估空中平臺的抗干擾能力，例如，使用軍方自己的GPS干擾設(shè)備。測試的目標是生成逼真的、實時空中GPS信號衰減環(huán)境，盡管這需要大量的準備工作來避免，或者將反干擾測試對民用空中交通、區(qū)域應(yīng)急人員等的影響降低到最小程度。

利用GPS/GNSS模擬器也可以模擬威脅：這些模擬器能夠在測試實驗室使用，以便理解接收機是如何在欺騙或干擾狀態(tài)下做出測試反應(yīng)，或者對現(xiàn)有的干擾抑制技術(shù)做出評估。

測試也可以在特殊的封閉實驗室中進行，以防止射頻（RF）干擾信號的泄漏，或者通過模擬，使用圍繞上述GNSS模擬器構(gòu)建的易損性測試系統(tǒng)（VTS）。這些系統(tǒng)可以使用標準化接口將模擬GNSS數(shù)據(jù)直接饋送到被測試的接收機中，或者通過RF發(fā)送信號。VTS系統(tǒng)不僅能夠模擬實時空中GNSS信號，而且能夠模擬欺騙信號。后者可以單獨地通過測試腳本實時或提前進行修改，從而可以模擬大量的測試場景，例如，信號強度、時間同步信號或單獨的衛(wèi)星進入/離開視野。

測試目標是通過理解GNSS接收機如何對欺騙進行反應(yīng)，以便植入干擾抑制技術(shù)，然后迭代測試和修正改進的系統(tǒng)，從而加固系統(tǒng)。

一些PNT設(shè)備制造商還提供干擾探測與抑制（IDM）測試服務(wù)，包括測試客戶設(shè)備以應(yīng)對可能的威脅，以及易損性風險評估，并提出關(guān)于抑制干擾的建議。

結(jié)語

使PNT系統(tǒng)具有彈性的技術(shù)正在持續(xù)地演進。PNT系統(tǒng)的運營者們，無論是軍用還是民用，都發(fā)現(xiàn)越來越受到威脅GNSS信號可用性和完整性的挑戰(zhàn)。雖然某些系統(tǒng)加固和傳感器融合技術(shù)仍在開發(fā)之中，但已經(jīng)有一些技術(shù)成果出現(xiàn)，并將繼續(xù)演進。

GPS和其他GNSS系統(tǒng)也將受益于未來的技術(shù)進步，其中一些將使它們的信號不易受到干擾。世界范圍內(nèi)的可用性和準確性使得GNSS不太可能在不久的將來就被另一種技術(shù)所取代。通過將基于GNSS的PNT設(shè)備和干擾探測與抑制系統(tǒng)相結(jié)合，我們將繼續(xù)依賴可信的GNSS作為定位、導(dǎo)航和授時的主要來源。

編輯/王曉濤