衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)密碼戰(zhàn)欺騙與反欺騙技術(shù)及運(yùn)用

航天工程大學(xué)士官學(xué)校 任思衡 楊保平 李華 李倩

密碼與軍事作戰(zhàn)具有十分緊密的聯(lián)系。早在公元前約500年的希波戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，希臘人就利用“隱文術(shù)”傳遞軍事情報(bào)，最終贏得了戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利；在長(zhǎng)征時(shí)期，我軍高度重視機(jī)要密碼工作，通過破譯國(guó)民黨軍隊(duì)的密碼，牢牢掌握了作戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)[1]；在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍事密碼在指揮決策、情報(bào)傳遞、通信聯(lián)絡(luò)、武器制導(dǎo)等方面發(fā)揮著不可或缺的重要作用，圍繞“軍事密碼運(yùn)用與對(duì)抗”的密碼戰(zhàn)研究不斷發(fā)展[2]。

隨著人類進(jìn)入太空時(shí)代，軍事密碼廣泛應(yīng)用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）的信號(hào)收發(fā)和信息傳遞。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其“高精度、全天時(shí)、全天候、海陸空天一體”的優(yōu)勢(shì)被譽(yù)為現(xiàn)代軍事力量的倍增器。在太空對(duì)抗行動(dòng)中，阻止敵方利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，保護(hù)己方和友軍正常使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，逐漸成為了行動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；趪?guó)防建設(shè)和國(guó)家安全的需要，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始獨(dú)立建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS），經(jīng)過數(shù)十年探索，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020年建成并提供全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)[3]。在此背景下，加強(qiáng)包括北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)用與對(duì)抗的研究具有十分重要戰(zhàn)略意義和軍事價(jià)值。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)

目前，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、歐盟等國(guó)家和組織均建立了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在常規(guī)烈度的戰(zhàn)爭(zhēng)中，大國(guó)之間直接毀傷在軌衛(wèi)星和地面控制站的作戰(zhàn)方式，面臨的政治風(fēng)險(xiǎn)較大，實(shí)現(xiàn)的可能性較低。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)作為一種電磁干擾手段，具有隱蔽性與高效性，政治風(fēng)險(xiǎn)低，干擾范圍大，在實(shí)際作戰(zhàn)中具有廣泛的應(yīng)用空間。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)是根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)和擴(kuò)頻碼（偽隨機(jī)碼）的特征規(guī)律進(jìn)行攻擊。欺騙干擾機(jī)可以發(fā)射與導(dǎo)航信號(hào)相同或相似，而功率稍強(qiáng)的欺騙信號(hào)，使接收機(jī)誤以為欺騙信號(hào)是真實(shí)信號(hào)，導(dǎo)致接收機(jī)被誤導(dǎo)從而產(chǎn)生虛假導(dǎo)航信息或者無(wú)法輸出導(dǎo)航信息。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)主要分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙技術(shù)和生成式欺騙技術(shù)[4]。相比于其他類型的電磁干擾，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)更具有隱蔽性與威脅性，在作戰(zhàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事訓(xùn)練和實(shí)際作戰(zhàn)中積極探索運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)密碼戰(zhàn)的具體手段，可以實(shí)現(xiàn)干擾敵方導(dǎo)航設(shè)備，誘騙敵方作戰(zhàn)部隊(duì)，奪取戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的目的。

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙首先對(duì)真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行截獲和存儲(chǔ)，然后將信號(hào)延遲播發(fā)，延長(zhǎng)星地信號(hào)傳播時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到混淆用戶定位結(jié)果的目的。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙直接利用了真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，無(wú)需分析信號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以即使導(dǎo)航信號(hào)采用了破譯難度較高的軍用密碼，干擾機(jī)也可能對(duì)用戶設(shè)備實(shí)施欺騙[5]。為了讓轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號(hào)更易于被目標(biāo)設(shè)備所捕獲，通常情況下干擾信號(hào)會(huì)比真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的功率略高[6]。

具體而言轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙可以采取2種實(shí)現(xiàn)手段。第一種方法是使用單個(gè)接收天線接收目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有真實(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，并經(jīng)過統(tǒng)一的延時(shí)和功率放大處理后，再利用發(fā)射天線進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；第二種方法是采用高增益窄波束的陣列天線，讓每個(gè)接收天線與區(qū)域內(nèi)每顆衛(wèi)星一一匹配，將不同的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)附加不同的延遲時(shí)間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[7]。

1.2 生成式欺騙

生成式欺騙根據(jù)截獲真實(shí)信號(hào)的基本特征生成與真實(shí)信號(hào)強(qiáng)相關(guān)的偽隨機(jī)碼，調(diào)制與真實(shí)電文格式完全相同的欺騙導(dǎo)航電文，最終經(jīng)天線發(fā)射加載了該電文的欺騙信號(hào)[8]。

具體而言，生成式欺騙可以采用3種實(shí)現(xiàn)手段。第一種方法是使用信號(hào)模擬源直接產(chǎn)生欺騙信號(hào)，且欺騙信號(hào)與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)之間不要求嚴(yán)格的時(shí)間同步。當(dāng)用戶設(shè)備處在冷啟動(dòng)狀態(tài)或被外界復(fù)雜電磁環(huán)境干擾，需要重新捕獲衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，很容易受到干擾信號(hào)的欺騙；第二種方法是解析真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，解調(diào)出導(dǎo)航電文并進(jìn)行有針對(duì)性的修改。通過參考真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的具體參數(shù)，使用信號(hào)模擬器對(duì)導(dǎo)航電文重新擴(kuò)頻，產(chǎn)生并播發(fā)欺騙電文；第三種方法是在第二種方法的基礎(chǔ)上，并在完成解析真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的情況下，依據(jù)目標(biāo)用戶的具體位置，構(gòu)造與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相同但相位相反的欺騙信號(hào)。根據(jù)無(wú)線電波的干涉規(guī)律，這種欺騙信號(hào)會(huì)與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相抵消，導(dǎo)致目標(biāo)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備無(wú)法完成定位[7]。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反欺騙技術(shù)

現(xiàn)有欺騙干擾技術(shù)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性和可靠性產(chǎn)生了一定威脅。對(duì)此，應(yīng)該加強(qiáng)反欺騙技術(shù)的應(yīng)用，防止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際作戰(zhàn)中被敵方欺騙，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)密碼戰(zhàn)中筑牢防御之盾。

實(shí)際上，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在體系設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮了抗干擾功能。目前，世界上主流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)建成和使用了抗干擾星載測(cè)距接收機(jī)、高安全性軍碼模塊和保密芯片、地面站信號(hào)收發(fā)抗干擾單元、監(jiān)測(cè)接收機(jī)全向抗干擾單元、終端抗干擾單元，具備一定的抗干擾能力。但在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)密碼戰(zhàn)的背景下，仍需要主動(dòng)改進(jìn)反欺騙技術(shù)，保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性與可靠性。具體而言，可以從以下幾方面加以改進(jìn)。

（1）提高對(duì)高級(jí)欺騙技術(shù)的識(shí)別能力。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域高級(jí)欺騙技術(shù)不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著被欺騙干擾的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，可以通過加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)接收機(jī)中間相位的準(zhǔn)確檢測(cè)等方式，進(jìn)一步改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線圖像識(shí)別技術(shù)，從而更好地抑制真實(shí)信號(hào)無(wú)感欺騙等高級(jí)欺騙技術(shù)。

（2）加強(qiáng)對(duì)欺騙消除技術(shù)的研究與應(yīng)用。對(duì)于終端設(shè)備而言，由于欺騙信號(hào)進(jìn)入信號(hào)通道會(huì)帶來跟蹤環(huán)路誤差，從而產(chǎn)生定位精度下降或環(huán)路失鎖的現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)終端信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，不僅應(yīng)主動(dòng)檢測(cè)到欺騙信號(hào)的存在，還可以結(jié)合人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，采用更智能的濾波算法，加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)欺騙信號(hào)的抑制和消除。

（3）采用帶有對(duì)抗性峰值標(biāo)識(shí)符和真實(shí)信號(hào)檢索器的SemperFi模塊。SemperFi模塊包含了針對(duì)連續(xù)干擾消除設(shè)計(jì)的算法和子模塊，能夠恢復(fù)被掩蓋的真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。在導(dǎo)航設(shè)備遭到欺騙攻擊期間，它能夠?qū)崟r(shí)跟蹤真實(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)并估算出用戶的具體位置[9]。

（4）綜合運(yùn)用多種抗欺騙手段，構(gòu)建多層次的防護(hù)體系。首先，可以在射頻前端使用抗欺騙天線，降低欺騙信號(hào)的強(qiáng)度；其次，在信號(hào)處理階段，可以搭建單獨(dú)的跟蹤環(huán)路，實(shí)時(shí)跟蹤鎖定欺騙信號(hào)，并利用欺騙信號(hào)參數(shù)和其他輔助設(shè)備參數(shù)比對(duì)，消除欺騙信號(hào)；再次，在信息處理階段，可以通過完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)防止用戶設(shè)備對(duì)欺騙信號(hào)的誤判；最后，在數(shù)據(jù)融合層面，可以綜合利用其他外源傳感器的信息，通過緩變故障監(jiān)測(cè)等方式，剔除剩余的被欺騙數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他有效數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、導(dǎo)航和授時(shí)[10]。

（5）強(qiáng)化對(duì)欺騙設(shè)備的探測(cè)和毀傷能力。欺騙設(shè)備工作時(shí)會(huì)發(fā)出大量特征信號(hào)，通過技術(shù)偵察手段可以對(duì)欺騙設(shè)備加以探測(cè)和定位。戰(zhàn)時(shí)，可以在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)廣泛設(shè)置干擾源監(jiān)測(cè)設(shè)備和反干擾定位系統(tǒng)，找出敵方的欺騙設(shè)備，并運(yùn)用反干擾無(wú)人機(jī)或小型反輻射導(dǎo)彈等武器對(duì)其進(jìn)行精確毀傷，從而直接消除欺騙信號(hào)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的威脅。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)要密碼抗欺騙干擾應(yīng)用

短報(bào)文是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種功能，可以用于發(fā)布作戰(zhàn)文書，下達(dá)作戰(zhàn)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)部隊(duì)的指揮控制。但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文服務(wù)是開放式結(jié)構(gòu)，存在著被敵方欺騙和利用的可能性。從理論上來講，一臺(tái)用戶設(shè)備可以向其他所有終端用戶設(shè)備發(fā)送短報(bào)文指令，用戶之間收發(fā)短報(bào)文時(shí)，無(wú)法迅速準(zhǔn)確地識(shí)別對(duì)方身份。

在針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的密碼戰(zhàn)中，一旦具有短報(bào)文功能的終端用戶設(shè)備被敵方俘獲，由于身份識(shí)別僅依賴于發(fā)送方的聲明，被俘設(shè)備有很大可能被敵方利用，發(fā)送虛假信息實(shí)施戰(zhàn)術(shù)欺騙。尤其在高烈度的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，作戰(zhàn)進(jìn)程快，作戰(zhàn)單元多，作戰(zhàn)區(qū)域廣，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能實(shí)施欺騙具有很強(qiáng)的危害性。

對(duì)此，可以從以下兩方面加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)要密碼管理。一方面是根據(jù)終端用戶設(shè)備配屬對(duì)象不同，建立唯一的身份識(shí)別碼。將用戶身份識(shí)別碼的序號(hào)按照編制序列、指揮層級(jí)加以區(qū)分，確保各個(gè)用戶在收到短報(bào)文時(shí)，能較為明確清晰地了解發(fā)件人的身份信息，從而保證了作戰(zhàn)文書、指令傳遞的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。另一方面，可以采取機(jī)要密碼傳輸?shù)某Ｓ梅绞?，?duì)部分短報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行多層加密。戰(zhàn)時(shí)，一旦傳統(tǒng)通信手段失效又急需傳輸一些重要信息，可以利用公鑰和私鑰相結(jié)合的方式，對(duì)短報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行二次加密或多次加密，再通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行播發(fā)。即使敵方俘獲衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備或截獲短報(bào)文內(nèi)容，由于缺失公鑰和私鑰，既無(wú)法發(fā)送欺騙信息，也無(wú)法讀取真實(shí)信息，從而保證了戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用安全。

4 結(jié)語(yǔ)

三軍之事，莫重于密。在新軍事變革不斷深入的今天，圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航軍事密碼運(yùn)用與對(duì)抗的密碼戰(zhàn)研究進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)積極運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)，改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反欺騙技術(shù)，采取衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗欺騙干擾措施，加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)要密碼管理工作，搶占信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的“制導(dǎo)航權(quán)”，堅(jiān)決打贏衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的“密碼戰(zhàn)”。

引用

[1]劉飄.土地革命戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期紅軍無(wú)線電通訊工作研究[D].成都:電子科技大學(xué),2021.

[2]張繼永.海上聯(lián)合作戰(zhàn)密碼應(yīng)用技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2016(7):189.

[3]劉科,何磊.GNSS欺騙與抗欺騙技術(shù)研究進(jìn)展[J].江蘇海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,29(4):77-85.

[4]馬海寧,潘顏楠,孫志.基于欺騙干擾技術(shù)的導(dǎo)航對(duì)抗新途徑[J].指揮控制與仿真,2021,43(4):128-133.

[5]高揚(yáng)駿,呂志偉,周朋進(jìn),等.衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].測(cè)繪與空間地理信息,2019,42(10):116-120.

[6]張倫東,張超,高揚(yáng)駿.衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙及檢測(cè)(二):基于接收機(jī)改進(jìn)的欺騙檢測(cè)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2021,9(4):1-10.

[7]王君,郭妍,唐康華,等.衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙式干擾技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)綜述[J].導(dǎo)航與控制,2022,21(1):13-24.

[8]JAHROMI A J,BROUMANDAN A,NIELSEN J,et al.GPS Spoofer Countermeasure Effectiveness Based on Signal Strength,Noise Power,and C/N_0 Measurements[J].International Journal of Satellite Communications and Networks,2012,30(4):181-191.

[9]ZHAO Z,CHEN Y A,ZHANG A N,et al.Experimental Demonstration of Five-photon Entanglement and Open-destination Teleportation[J].Nature,2004,430(6995):54-58.

[10]劉清秀,程玉,王國(guó)棟,等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀探討[J].導(dǎo)航與控制,2021,20(4):24-32+23.