衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)綜述

王 君,郭 妍,唐康華,何曉峰

（國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,未來(lái)軍事戰(zhàn)爭(zhēng)所面臨的來(lái)自戰(zhàn)略戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和國(guó)家安全的挑戰(zhàn)是多種多樣的[1-2]。無(wú)人系統(tǒng)在續(xù)航時(shí)間、機(jī)動(dòng)能力、隱身性能以及作戰(zhàn)人員傷亡概率等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在世界范圍內(nèi)得到飛速的發(fā)展。無(wú)人作戰(zhàn)也必將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)地位,成為國(guó)家間軍事博弈的前瞻力量[3-5]。

無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)普遍依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS)進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)定位[6-8]。由于導(dǎo)航衛(wèi)星距離地球表面20000km～36000km,衛(wèi)星信號(hào)非常微弱,故衛(wèi)星導(dǎo)航終端容易受到惡意干擾。實(shí)際上,很多國(guó)家將衛(wèi)星導(dǎo)航干擾作為一個(gè)攻擊性策略,來(lái)降低敵方現(xiàn)代化無(wú)人武器裝備的使用效能[9-11]。

從戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)上考慮,衛(wèi)星干擾分為壓制式干擾（Jamming)和欺騙式干擾（Spoofing)[12-13]。 欺騙式干擾以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的薄弱環(huán)節(jié)為切入點(diǎn),依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理產(chǎn)生與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)相同參數(shù)的偽信號(hào)接入到目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)中,因此欺騙式干擾的隱蔽性效果要明顯優(yōu)于壓制式干擾[14-15]。目前,衛(wèi)星系統(tǒng)民用信號(hào)的結(jié)構(gòu)對(duì)用戶是開(kāi)放不加密的,故針對(duì)民用衛(wèi)星信號(hào)的欺騙式干擾在理論上是完全可實(shí)現(xiàn)的,且伊朗軍方于2011年、2012年和2018年成功捕獲美絕密 “RQ-170”、“掃描鷹”以及MQ-9“死神”無(wú)人機(jī)等實(shí)例也充分驗(yàn)證了衛(wèi)星欺騙式干擾在實(shí)際軍事應(yīng)用上的可行性[16-18]。

針對(duì)欺騙式干擾在危害性和隱蔽性方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì),本文首先介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的實(shí)施方式,然后回顧了近年來(lái)欺騙式干擾技術(shù)的理論研究現(xiàn)狀,論述了其實(shí)際應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的實(shí)施方式

就衛(wèi)星導(dǎo)航原理而言,對(duì)目標(biāo)接收機(jī)的定位結(jié)果實(shí)施欺騙式干擾可以從兩個(gè)方面著手:人為間接增加信號(hào)的傳播時(shí)間或直接產(chǎn)生虛假的導(dǎo)航信息,即對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)發(fā)式和生成式。

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾是通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)截獲到的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)來(lái)達(dá)到延長(zhǎng)信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)而混淆定位結(jié)果的目的[19-21]。為了讓轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)能更易于被目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)所捕獲,通常情況下轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)往往比真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的功率約高2dB。

按照衛(wèi)星信號(hào)處理的方式不同,轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的實(shí)現(xiàn)方法有兩種,如圖1所示。具體地,第一種實(shí)現(xiàn)方法采用單個(gè)接收天線接收區(qū)域內(nèi)所有真實(shí)衛(wèi)星信號(hào),并經(jīng)過(guò)統(tǒng)一延遲和功率放大處理后,利用發(fā)射天線再次轉(zhuǎn)發(fā)傳播;第二種實(shí)現(xiàn)方法采用高增益窄波束的陣列天線,使得每個(gè)接收天線對(duì)應(yīng)于區(qū)域內(nèi)每顆衛(wèi)星信號(hào),并對(duì)不同的衛(wèi)星信號(hào)附加不同的延遲時(shí)間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。第二種轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾方式可以將接收機(jī)欺騙至設(shè)定位置,但是每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的延遲時(shí)間在實(shí)際操作中很難被精確的估算。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of repeater spoofing jamming system

1.2 生成式欺騙干擾

生成式欺騙干擾是根據(jù)截獲的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)基本特征（包括碼結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式等)產(chǎn)生與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)相關(guān)的偽隨機(jī)碼,調(diào)制與導(dǎo)航電文格式完全相同的虛假導(dǎo)航電文,再由發(fā)射器廣播發(fā)送攜帶該虛假導(dǎo)航電文的干擾信號(hào)[22-24]。

按照信號(hào)生成的復(fù)雜程度不同,生成式欺騙干擾的實(shí)現(xiàn)方法有:1)使用信號(hào)模擬源直接產(chǎn)生并發(fā)射虛假衛(wèi)星信號(hào),且該虛假衛(wèi)星信號(hào)與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)之間不要求嚴(yán)格的時(shí)間同步,當(dāng)處于冷啟動(dòng)狀態(tài)或受到外界干擾影響需要重新捕獲信號(hào)時(shí),目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)將極易受到欺騙;2)接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)并對(duì)解調(diào)出的導(dǎo)航電文進(jìn)行有目的性地修改,參考真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的參數(shù),利用信號(hào)模擬源對(duì)虛假電文重新擴(kuò)頻后再發(fā)射;3)依托第二種實(shí)現(xiàn)方法,在解析真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的前提下依據(jù)目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)位置,構(gòu)造與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)完全相同但反相的虛假衛(wèi)星信號(hào),這種生成式欺騙干擾使得虛假衛(wèi)星信號(hào)與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)相消,導(dǎo)致目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。生成式欺騙干擾系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 生成式欺騙干擾系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of generated spoofing jamming system

2 衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1995年2月,MITRE公司[25]的內(nèi)部備忘錄提到了針對(duì)民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的六種對(duì)抗欺騙技術(shù)手段,在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起GNSS導(dǎo)航研究學(xué)者和GNSS信號(hào)接收機(jī)制造商的關(guān)注。直到2001年,美國(guó)交通部[26-27]（U.S.Department of Transportation)提交的Volpe報(bào)告重點(diǎn)分析了民用衛(wèi)星欺騙式干擾,它比其他類型的故意通信干擾更加惡劣。Volpe報(bào)告還指出,對(duì)于欺騙攻擊目前不存在任何 “現(xiàn)成的”防御措施,建議研究欺騙干擾的性能以輔助目標(biāo)接收機(jī)提出識(shí)別和檢測(cè)策略。針對(duì)此,國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在純衛(wèi)星導(dǎo)航終端的欺騙攻擊實(shí)驗(yàn)方面,美國(guó)加州大學(xué)的Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[28-29]（Los Alamos National Laboratory,LANL)脆弱性評(píng)估小組（The Vulnerability Assessment Team,VAT)進(jìn)行了相關(guān)研究。2003年,評(píng)估小組的Warner教授利用裝備在卡車上的簡(jiǎn)易衛(wèi)星信號(hào)干擾器（包括衛(wèi)星信號(hào)模擬器、功率放大器以及信號(hào)發(fā)射器)擾亂了另外一輛目標(biāo)卡車上的衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī),使其發(fā)生定位錯(cuò)誤,實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。由于該實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)從攻擊卡車上廣播虛假衛(wèi)星信號(hào),因此目標(biāo)卡車與攻擊卡車之間的距離不能太遠(yuǎn),這個(gè)物理限制條件會(huì)影響欺騙攻擊的隱蔽性。

圖3 Warner教授的欺騙實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of Warner’s spoofing experiment

自2004年起,美國(guó)以每年一次的頻率執(zhí)行一項(xiàng)具有創(chuàng)新型的針對(duì)GPS的干擾計(jì)劃JAMFEST。JAMFEST在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈基地構(gòu)建了多種GPS干擾以及抗干擾測(cè)試環(huán)境,采用不少于7臺(tái)干擾源集中對(duì)特定局部范圍進(jìn)行較強(qiáng)功率的干擾,并通過(guò)組合布局設(shè)置多達(dá)25種的干擾場(chǎng)景,以滿足不同層次的干擾測(cè)試需求[30]。圖4給出了其中一種干擾源布置示例,紅色方框區(qū)域?yàn)槠湓O(shè)置的干擾源。

圖4 JAMFEST干擾源放置示意圖Fig.4 Schematic diagram of JAMFEST jamming source placement

同年的美國(guó)政府報(bào)告中提出了七項(xiàng)針對(duì)欺騙干擾攻擊的應(yīng)對(duì)措施,美國(guó)康奈爾大學(xué)的Psiaki教授[31-32]領(lǐng)導(dǎo)其研究團(tuán)隊(duì)由此開(kāi)展了針對(duì)衛(wèi)星干擾技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,并將研究成果發(fā)表于2008年9月美國(guó)喬治亞州薩凡納市舉行的導(dǎo)航協(xié)會(huì)會(huì)議上。他重點(diǎn)分析了虛假衛(wèi)星信號(hào)的形成和轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,即首先將自制的 “假冒”接收器安置在目標(biāo)接收機(jī)附近,使其接收到與目標(biāo)接收機(jī)幾乎相同的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào),然后對(duì)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤、篡改,適當(dāng)提高功率形成虛假衛(wèi)星信號(hào),最后轉(zhuǎn)發(fā)該虛假衛(wèi)星信號(hào),并成功使其被目標(biāo)接收機(jī)捕獲。

2007年1月,美軍在圣地亞哥海軍基地附近進(jìn)行了一次欺騙攻擊實(shí)驗(yàn)。利用GPS衛(wèi)星信號(hào)很容易被同一頻率的較強(qiáng)信號(hào)廣播所覆蓋的特性,在一艘停泊的海軍艦船上安裝干擾器,使得臨近地區(qū)出現(xiàn)了GPS無(wú)法定位的情況。類似事件也發(fā)生在2010年和2016年朝鮮附近海域內(nèi)[33],據(jù)推測(cè)朝鮮購(gòu)買了可以安裝在卡車上的俄羅斯干擾器,在開(kāi)城（Kaesong)發(fā)射GPS干擾信號(hào),實(shí)驗(yàn)對(duì)十多萬(wàn)平方公里范圍內(nèi)所有GPS設(shè)備都產(chǎn)生了不同程度的影響。

2010年,意大利都靈理工大學(xué)[34-35]通過(guò)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易欺騙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Limpet Spoofer,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在工程上可以采用欺騙式干擾技術(shù)將目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)從跟蹤的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)牽引到虛假衛(wèi)星信號(hào),并且在該過(guò)程中會(huì)引起接收機(jī)載波環(huán)、碼環(huán)異常,如圖5所示。

圖5 Limpet Spoofer實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experiment platform of Limpet Spoofer

2011年,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)[36]研究對(duì)民用、軍用GPS的欺騙攻擊,分析了攻擊成功的條件及其在實(shí)踐中的局限性。利用Spirent GSS7700 GPS模擬器搭建欺騙攻擊實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)分析研究欺騙攻擊成功的所需條件,即虛假衛(wèi)星信號(hào)功率要高于真實(shí)信號(hào)至少2dB,且兩信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間偏移不得高于80ns。同時(shí),欺騙攻擊成功還要求虛假衛(wèi)星信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)間存在的絕對(duì)時(shí)間偏移也不高于75ns。

2012年,加拿大卡爾加里大學(xué)舒立克工程學(xué)院定位導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)[37]發(fā)表了針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙式干擾及抗欺騙技術(shù)研究的論文。該論文分析了欺騙式干擾的類型以及虛假衛(wèi)星信號(hào)的模型,重點(diǎn)研究了欺騙實(shí)驗(yàn)環(huán)境下目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)接收信號(hào)的情況。如圖6所示,紅色為虛假GPS信號(hào),綠色為真實(shí)GPS信號(hào)。

圖6 加拿大卡爾加里大學(xué)搭建的欺騙實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖Fig.6 Diagram of spoofing experiment environment built by University of Calgary

早在2008年,美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)的Humpherys教授[38-41]就介紹了一種便攜式民用GPS欺騙器的研制方案,并發(fā)表多次報(bào)告評(píng)估GPS欺騙的威脅性。2012年6月,Humpherys團(tuán)隊(duì)使用硬件成本不到1000美元的GPS民用信號(hào)欺騙設(shè)備在大學(xué)田徑場(chǎng)內(nèi)成功改變了基于INS/GPS松組合定位的小型無(wú)人機(jī)飛行路徑,對(duì)此美國(guó)媒體進(jìn)行了公開(kāi)報(bào)道[42]。隨后,受到對(duì)此持懷疑態(tài)度的美國(guó)國(guó)家安全局官員邀請(qǐng),Humpherys團(tuán)隊(duì)[43-44]在美國(guó)白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)成功進(jìn)行了飛行欺騙測(cè)試實(shí)驗(yàn),其測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)把錯(cuò)誤信息包裝成看起來(lái)可靠的GNSS信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)接收機(jī),使得無(wú)人機(jī)上的INS/GPS松組合導(dǎo)航輸出虛假地理信息并對(duì)其進(jìn)行錯(cuò)誤導(dǎo)航。2013年,Humpherys教授還對(duì)白玫瑰號(hào)超級(jí)游艇的GPS設(shè)備進(jìn)行欺騙攻擊測(cè)試,研究團(tuán)隊(duì)在從摩納哥到希臘羅德島旅程的第二天,就成功利用虛假信號(hào)取代GPS接收機(jī)的接收信號(hào),實(shí)現(xiàn)了游艇的左向3°偏移,即偏離預(yù)定航線1km。

圖7 Humpherys團(tuán)隊(duì)的欺騙干擾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Spoofing experiment platform of Humpherys’team

韓國(guó)大田（Daejeon)305-700衛(wèi)星導(dǎo)航研究小組[45-46]在都靈理工大學(xué)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了虛假衛(wèi)星信號(hào)引起的異常影響效果,即當(dāng)輸入欺騙信號(hào)時(shí),不僅DLL和PLL跟蹤環(huán)會(huì)產(chǎn)生誤差,而且偽矩也會(huì)發(fā)生非線性變化,進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)誤的導(dǎo)航解算結(jié)果和時(shí)間偏差量。該團(tuán)隊(duì)的研究成果在2012年第12屆和2014年14屆的國(guó)際控制、自動(dòng)化和系統(tǒng)會(huì)議（The International Conference on Control,Automation and Systems)中公開(kāi)發(fā)表。

2013年,美國(guó)麻省大學(xué)達(dá)特茅斯分校[47]系統(tǒng)性研究了GPS的安全性,并對(duì)GPS欺騙攻擊進(jìn)行分類,即協(xié)議類和信號(hào)分析數(shù)據(jù)處理類。其次,他們還利用JiST/SWNS/GPS Java語(yǔ)言仿真模塊引入了一個(gè)新的欺騙攻擊環(huán)境,即通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)仿真（Event-driven Simulation)來(lái)模擬GPS攻擊場(chǎng)景。

美國(guó)芝加哥伊利諾伊理工學(xué)院[48]在2014年的IEEE/ION Position,Location and Navigation Symposium（PLANS)會(huì)議上提出了一種針對(duì)INS/GPS松組合的無(wú)人機(jī)欺騙攻擊方法。仿真結(jié)果表明,如果攻擊者對(duì)用戶的航跡有著絕對(duì)的了解,那么在產(chǎn)生較大位置誤差的同時(shí),也能夠不被監(jiān)視器檢測(cè)到。

各類型衛(wèi)星信號(hào)模擬器體型龐大、費(fèi)用較高,且目前實(shí)驗(yàn)環(huán)境和各種系統(tǒng)部件等被精確建模,因此軟件仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙攻擊的測(cè)試也是一種不錯(cuò)的選擇。2015年3月,伊朗學(xué)者Baziar[49]研究了一種利用軟件接收機(jī)并依據(jù)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號(hào)的方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了虛假衛(wèi)星信號(hào)對(duì)真實(shí)信號(hào)的相對(duì)時(shí)間長(zhǎng)短與位置偏移的大小沒(méi)有必然的關(guān)系。該方法的實(shí)施分為四個(gè)步驟:1)首先保存真實(shí)GPS信號(hào),并估計(jì)功率大小;2)對(duì)真實(shí)GPS信號(hào)進(jìn)行延遲,并與真實(shí)GPS信號(hào)進(jìn)行結(jié)合,形成混合信號(hào);3)調(diào)節(jié)混合信號(hào)的功率,使其功率要高于原始的真實(shí)GPS信號(hào);4)對(duì)目標(biāo)接收機(jī)發(fā)射修改后的混合信號(hào)。該方法實(shí)用性強(qiáng),不需要昂貴的硬件設(shè)備。

從2015年開(kāi)始,伊朗科技大學(xué)的Mosavi教授開(kāi)始了對(duì)GPS欺騙和抗欺騙的研究,但是更加注重于抗欺騙措施的提出。一直到2017年,Mosavi[50-51]繼續(xù)Baziar教授的研究,設(shè)計(jì)了一種單頻GPS接收機(jī)的欺騙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方法,如圖8所示。該方法的優(yōu)勢(shì)在于使用軟件定義接收機(jī),確保所有數(shù)據(jù)處理在i7 2.2 GHz CPU的筆記本電腦上。

圖8 Mosavi實(shí)現(xiàn)欺騙實(shí)驗(yàn)的頂層模型Fig.8 Top-level model of Mosavi’s spoofing experiment

2017年,美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)聯(lián)合Microoft研究所和中國(guó)電子科技大學(xué)[52]提出了一種基于道路導(dǎo)航的單次GPS欺騙攻擊方法。該方法首先從OpenStreetMap中提取和解析公共離線數(shù)據(jù)的道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并基于導(dǎo)航路徑輸入和相應(yīng)約束條件搜索可行的欺騙路徑;然后利用USRP、Hack-RF One等可編程無(wú)線電平臺(tái)構(gòu)建低成本便攜式GPS欺騙器;最后依據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物理約束性,選取可欺騙位置點(diǎn)發(fā)動(dòng)位置欺騙攻擊,使得受害者的實(shí)際當(dāng)前位置欺騙到錯(cuò)誤位置點(diǎn),進(jìn)而依據(jù)原始路徑指引受害者到另外一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

美國(guó)托萊多大學(xué)在2017年[53]提出利用基于OMNeT++軟件的衛(wèi)星模擬器和UAV-Sim的無(wú)人機(jī)模型搭建整個(gè)無(wú)人機(jī)欺騙攻擊的純軟件環(huán)境,并分析GPS欺騙攻擊對(duì)UAV導(dǎo)航的影響。緊接著,韓國(guó)漢城大學(xué)電子工程系的Seo[54]搭建了基于軟件編程的GNSS信號(hào)模擬器（Software-based GNSS Signal Generator),并開(kāi)展了針對(duì)無(wú)人機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙攻擊實(shí)驗(yàn),如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雖然無(wú)人機(jī)本身具有一定的欺騙防護(hù)能力,但當(dāng)欺騙實(shí)施知曉無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),可以將無(wú)人機(jī)精確地欺騙到目標(biāo)點(diǎn)。

圖9 Seo的欺騙攻擊實(shí)驗(yàn)步驟示意圖Fig.9 Schematic diagram of spoofing attack procedure tested by Seo

2018年,墨西哥學(xué)者 Sandra等[55]利用商用Parrot公司制造的無(wú)人機(jī)GPS技術(shù)漏洞產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號(hào)混亂目標(biāo)無(wú)人機(jī)的位置,誘導(dǎo)舵手通過(guò)飛控手柄挾持非法入侵的無(wú)人機(jī)飛離未經(jīng)授權(quán)的地方。這次的欺騙攻擊實(shí)驗(yàn)僅僅只是針對(duì)民用信號(hào),對(duì)于軍用衛(wèi)星信號(hào),這種方式的有效性需要進(jìn)一步研究。緊接著,2019年,韓國(guó)學(xué)者Noh等[56]也做了相類似的實(shí)驗(yàn),欺騙目標(biāo)針對(duì)的是中國(guó)大疆公司制造的無(wú)人機(jī)。

葡萄牙里斯本大學(xué)的Gaspar等[57]在2020年通過(guò)理論方法研究,成功實(shí)現(xiàn)利用軟件定義接收機(jī)（Software Defined Radio,SDR)模擬GPS信號(hào),產(chǎn)生與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間同步的虛假衛(wèi)星信號(hào),使得目標(biāo)衛(wèi)星接收機(jī)發(fā)生定位誤差。實(shí)驗(yàn)中的低成本、小型化的欺騙器可用于構(gòu)建一個(gè)常規(guī)防御系統(tǒng),用于轉(zhuǎn)移控制未經(jīng)授權(quán)的無(wú)人機(jī)。同年12月,美國(guó)克萊姆森大學(xué)的Sanders等[58]提出了合作車載平臺(tái)的欺騙干擾實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò),主要是利用各平臺(tái)之間的Doppler頻移來(lái)定位欺騙目標(biāo),并據(jù)此產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號(hào)實(shí)施欺騙攻擊。該欺騙方案充分利用車載移動(dòng)平臺(tái),搭建便攜式欺騙設(shè)備無(wú)限接近攻擊目標(biāo),打破了虛假衛(wèi)星信號(hào)傳輸衰弱造成的攻擊方與目標(biāo)物之間的距離限制。

2021年,印度學(xué)者Bethi等[59]將欺騙攻擊場(chǎng)景中傳輸和接收虛假衛(wèi)星信號(hào)的過(guò)程看作是一個(gè)帶函數(shù)約束的目標(biāo)約束數(shù)學(xué)問(wèn)題,提出了一種基于全局最鄰近（GNN)關(guān)聯(lián)的集中式欺騙方法,用于實(shí)現(xiàn)多欺騙-多目標(biāo)的GPS欺騙攻擊。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,為增強(qiáng)欺騙攻擊的效率,需設(shè)定欺騙器的信號(hào)發(fā)射功率是具有可調(diào)性的。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航電子對(duì)抗測(cè)試需求的不斷增加,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)涉及衛(wèi)星導(dǎo)航的干擾技術(shù)進(jìn)行了初步的原理性研究。2013年,西安飛行自動(dòng)控制研究所的張會(huì)鎖等[60]探討了欺騙式干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法,即提出了一種利用目標(biāo)飛行器的已知軌跡誘導(dǎo)欺騙GPS的干擾方法。該方法可使得無(wú)人機(jī)改變預(yù)設(shè)軌跡,但是其并沒(méi)有給出具體的求解各個(gè)時(shí)刻虛假衛(wèi)星信號(hào)的計(jì)算方法,也沒(méi)有考慮環(huán)境因素（無(wú)人機(jī)的控制參數(shù)、已知軌跡和組合導(dǎo)航精度)對(duì)欺騙效果的影響。

中國(guó)浙江大學(xué)工業(yè)控制科技國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者[61]在2016年國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)議（Interna-tional Federation of Automatic Control,IFAC)上描述了一種利用GPS欺騙攻擊將裝備有基于INS/GPS組合導(dǎo)航新息檢測(cè)器的無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)到任意目標(biāo)地的場(chǎng)景。在該欺騙場(chǎng)景中,攻擊者將整個(gè)欺騙攻擊問(wèn)題轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問(wèn)題,即在基于INS/GPS組合導(dǎo)航新息檢測(cè)器的約束下求解最優(yōu)解,使得無(wú)人機(jī)最終達(dá)到點(diǎn)與預(yù)計(jì)期望欺騙目標(biāo)點(diǎn)之間的誤差最小。此外,該場(chǎng)景還對(duì)GPS攻擊下的無(wú)人機(jī)最大可達(dá)位置集進(jìn)行了量化。

火箭軍工程大學(xué)的王海洋等[62]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(guò)直接侵入和壓制式輔助兩種方法進(jìn)入接收機(jī)的捕獲跟蹤環(huán)路,對(duì)已定位的GPS接收實(shí)施欺騙干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓制干擾輔助方式下通過(guò)合理控制欺騙信號(hào)頻率,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)實(shí)施欺騙式干擾的可行性。但是,大功率壓制信號(hào)易被檢測(cè),無(wú)法達(dá)到隱蔽性效果。

北斗開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室[63]結(jié)合欺騙式干擾技術(shù)成功研制了ADS2000系統(tǒng)欺騙式民用無(wú)人機(jī)防控系統(tǒng),該系統(tǒng)采用非接觸式欺騙式干擾技術(shù),能夠在隱蔽信號(hào)且不產(chǎn)生輻射污染的情況下為特定區(qū)域構(gòu)建全天候電子防護(hù)區(qū),對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)進(jìn)行電子驅(qū)離和迫降捕獲,有效防止黑飛無(wú)人機(jī)入侵。但是,ADS2000系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精確定點(diǎn)捕獲和定向驅(qū)離等任務(wù)仍存在算法上的空白,急需突破。圖10描述了系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備,即便攜式無(wú)人機(jī)管控電子槍。

圖10 便攜式無(wú)人機(jī)管控電子槍示意圖Fig.10 Schematic diagram of portable UAV control electron gun

戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)[64]提出了一種新的針對(duì)接收機(jī)跟蹤階段的異步牽引式信號(hào)欺騙方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新方法既能確保欺騙信號(hào)和真實(shí)信號(hào)載波頻率差的合理性,又能滿足偽碼Doppler和載波Doppler的一致性關(guān)系。

國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院自動(dòng)化系導(dǎo)航制導(dǎo)與控制團(tuán)隊(duì)[65]通過(guò)對(duì)在INS/GPS松組合導(dǎo)航模式下無(wú)人機(jī)整個(gè)欺騙過(guò)程的研究和探討,理論推導(dǎo)分別驗(yàn)證了針對(duì)質(zhì)點(diǎn)類型無(wú)人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙方法的有效性和隱蔽性。針對(duì)在軍事應(yīng)用更加廣泛且結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的INS/GPS緊組合導(dǎo)航終端,導(dǎo)航制導(dǎo)與控制團(tuán)隊(duì)[66]以濾波穩(wěn)態(tài)增益為突破口,明確欺騙干擾信號(hào)對(duì)組合導(dǎo)航輸出結(jié)果的共性特征,推導(dǎo)出欺騙式干擾信號(hào)與組合導(dǎo)航輸出結(jié)果之間的解析表達(dá)式,研究欺騙式干擾對(duì)組合導(dǎo)航位置輸出影響程度的可操縱性和穩(wěn)定性,提出了一種針對(duì)緊組合導(dǎo)航無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)精確位置偏移的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙控制策略。

解放軍信息工程大學(xué)的高揚(yáng)駿等[67]提出了一種兩步軌跡引導(dǎo)算法,使得目標(biāo)載體能快速被誘導(dǎo)至欺騙軌跡上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的算法可準(zhǔn)確快速地引導(dǎo)配置GNSS/IMU松組合的目標(biāo)載體沿欺騙軌跡運(yùn)動(dòng)且能避免被NIS檢測(cè)告警,具有較強(qiáng)的隱蔽性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3 目前存在的問(wèn)題分析

根據(jù)上述關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況分析可知:近年來(lái),各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)該領(lǐng)域的研究,并相繼進(jìn)行了演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),具體研究情況如表1所示。

由表1分析可知,目前尚存在如下科學(xué)問(wèn)題亟待解決:

表1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況分析Table 1 Analysis of spoofing jamming experiment for satellite navigation at home and abroad

1)國(guó)外已經(jīng)制造出低成本便攜式GNSS欺騙器的成熟產(chǎn)品,如美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)[38-44]、伊朗科技大學(xué)[50-51]、韓國(guó)漢城大學(xué)[54]、葡萄牙里斯本大學(xué)[57]等,而國(guó)內(nèi)對(duì)于欺騙式干擾的研究目前仍處于理論性研究和原理性驗(yàn)證階段;

2)目前的欺騙式干擾技術(shù)主要是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航開(kāi)展的[28-29,34-35,37,50-51,54,63],對(duì)于很多應(yīng)用GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)的組合導(dǎo)航模式下（例如INS/GPS、DVL/GPS等)的欺騙方法考慮不足,目前只有美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)的Humpherys教授[38-44]和國(guó)防科技大學(xué)[65-66]對(duì)此方向有所研究;

3)對(duì)簡(jiǎn)單位置欺騙研究較多,對(duì)航跡或路徑欺騙研究較少[48,54,67],而實(shí)用性更強(qiáng)的精確目標(biāo)位置點(diǎn)欺騙研究幾乎沒(méi)有涉及;

4)欺騙式干擾技術(shù)雖然具有一定的隱蔽性,但是對(duì)于裝備有抗欺騙干擾儀器的用戶來(lái)說(shuō)也是容易被檢測(cè)的[48,54,61],同時(shí)很多欺騙攻擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境的物理限制也是影響其隱蔽性的要素之一[28-29,36,58];

5)缺少針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙控制策略的量化評(píng)價(jià)指標(biāo),很多學(xué)者更加偏重于研究分析欺騙攻擊成功所需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件和設(shè)備精度要求[36,49],但是面向不同攻擊目標(biāo)（無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等)利用衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)使其完成特殊軍事任務(wù)（如定點(diǎn)捕獲或定向驅(qū)離等),目前缺乏量化指標(biāo)體系對(duì)其成功性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 欺騙式干擾技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)在該領(lǐng)域上存在的問(wèn)題,期待其在以下方面進(jìn)行突破:

（1)提升虛假衛(wèi)星信號(hào)的生成質(zhì)量,加大欺騙干擾攻擊的成功效率

同步生成式衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾在目標(biāo)接收機(jī)正常跟蹤真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的狀態(tài)下無(wú)需壓制而引導(dǎo)接收機(jī)逐漸偏移真實(shí)衛(wèi)星信號(hào),因此其更易被接收機(jī)所捕獲[22-24];衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙效果的隱蔽性是指虛假衛(wèi)星信號(hào)的接入不會(huì)引起目標(biāo)接收機(jī)上基于導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)的新息檢查器預(yù)警;虛假衛(wèi)星信號(hào)的位置精度、速度精度、生成頻率以及它的作用范圍、與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的比率也是影響欺騙干擾進(jìn)攻成功與否的關(guān)鍵影響因素[36,49]。突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),提升虛假衛(wèi)星信號(hào)的生成質(zhì)量,使其能迅速地、無(wú)縫地、隱蔽地接入到目標(biāo)接收機(jī)中,可極大程度上增加實(shí)驗(yàn)中欺騙干擾攻擊的成功率。

（2)依托相關(guān)硬件平臺(tái)的高集成化,形成便攜式一體化的欺騙系統(tǒng)

各類型衛(wèi)星信號(hào)模擬器是衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙系統(tǒng)的重要組成部分,但是其體型龐大、費(fèi)用較高,不適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和大范圍部署。隨著相關(guān)硬件平臺(tái)的高度集成化和軟件無(wú)人電技術(shù)的高速發(fā)展,便攜式、小型化、低成本的欺騙系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展的主要方向[38-44,50-51,54,57],可成為信息化反無(wú)人作戰(zhàn)的攻堅(jiān)力量。

（3)適應(yīng)不同無(wú)人平臺(tái)的任務(wù)需求,優(yōu)化欺騙干擾策略的智能選擇

不同慣性導(dǎo)航精度、不同組合導(dǎo)航方式下,虛假衛(wèi)星信號(hào)對(duì)組合導(dǎo)航輸出結(jié)果的影響具有差異性[65-66];面向不同攻擊目標(biāo)（無(wú)人機(jī)[38-43,54-57]、無(wú)人車[28-29,58]、無(wú)人船[44]),利用衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)使其完成特定任務(wù)（如定點(diǎn)捕獲或定向驅(qū)離等),也存在不同海、陸、空應(yīng)用環(huán)境下的空間局限性。對(duì)導(dǎo)航終端技術(shù)進(jìn)行全面梳理,在分析不同類型無(wú)人平臺(tái)的導(dǎo)航與控制機(jī)理基礎(chǔ)上,全方面獲取整個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)體系的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾策略,面對(duì)不同無(wú)人平臺(tái)的任務(wù)需求,智能化快速生成最優(yōu)欺騙干擾策略,形成組合導(dǎo)航終端的信息化作戰(zhàn)能力。

（4)結(jié)合多項(xiàng)科研技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì),打破單到多平臺(tái)欺騙的技術(shù)封鎖

以大量微小型無(wú)人平臺(tái)為載體形成作戰(zhàn)力量為未來(lái)信息化導(dǎo)航戰(zhàn)爭(zhēng)提供了新質(zhì)作戰(zhàn)手段,依靠單一的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)是很難達(dá)到理想效果的[59]。需要結(jié)合目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、無(wú)線電反制、多目標(biāo)打擊等多項(xiàng)科研技術(shù),建設(shè)集指揮控制、偵察與定位、干擾與欺騙為一體化的空域防御系統(tǒng),具備對(duì)無(wú)人集群目標(biāo)實(shí)施 “偵、擾、打、攔”的反制手段。

4 結(jié)論

本文圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)展開(kāi)綜述,主要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的類別、發(fā)展趨勢(shì)以及技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)介紹。開(kāi)展衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)的相關(guān)研究是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航防護(hù)與對(duì)抗背景下的必然選擇,研究衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)有望形成:

1)近期目標(biāo):以衛(wèi)星信號(hào)軍民應(yīng)用面臨的欺騙干擾威脅為背景,梳理衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾應(yīng)用體系,針對(duì)典型軍民用戶應(yīng)對(duì)欺騙干擾的薄弱環(huán)節(jié),開(kāi)展衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙關(guān)鍵技術(shù)研究,研制相應(yīng)的原理樣機(jī),并進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)基于組合導(dǎo)航終端的欺騙演示驗(yàn)證。

2)中期目標(biāo):在實(shí)現(xiàn)近期目標(biāo)的基礎(chǔ)上,深入研究基于衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙的信號(hào)隱蔽性接入型關(guān)鍵技術(shù),解決利用軌跡誘導(dǎo)的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙技術(shù)難題,開(kāi)展基于實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)的動(dòng)態(tài)攻擊目標(biāo)誘導(dǎo)仿真平臺(tái)演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對(duì)各類欺騙干擾模式,分別從欺騙攻擊的隱蔽性、欺騙過(guò)程中無(wú)人系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙控制效果的精準(zhǔn)性分析等三個(gè)層面進(jìn)行欺騙技術(shù)研究,探索建立衛(wèi)星欺騙干擾監(jiān)測(cè)與防護(hù)體系,進(jìn)一步保障我國(guó)國(guó)防軍事/民事上的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用安全。

3)遠(yuǎn)期目標(biāo):結(jié)合海、陸、空作戰(zhàn)應(yīng)用環(huán)境,利用衛(wèi)星欺騙干擾原理樣機(jī)對(duì)無(wú)人戰(zhàn)車、無(wú)人機(jī)、無(wú)人艦艇等無(wú)人武器裝備進(jìn)行室外欺騙干擾攻擊實(shí)驗(yàn),根據(jù)欺騙攻擊的結(jié)果評(píng)估衛(wèi)星典型軍民應(yīng)用的欺騙干擾危害和反欺騙效能,提出可行的衛(wèi)星導(dǎo)航反欺騙對(duì)策與措施建議,促進(jìn)反欺騙技術(shù)在軍民裝備中的應(yīng)用力度,提高衛(wèi)星應(yīng)用的安全性,為衛(wèi)星應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化及后續(xù)全球系統(tǒng)建設(shè)提供支撐。