周 軒，李廣俠，蔡錠波，程佳亮

（1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研2隊(duì)，南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院天基信息中心，南京 210007；3.75220部隊(duì)，廣東 潮州 521000；4.73681部隊(duì)523分隊(duì)，南京 210000）

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （global navigation satellite system，GNSS）廣泛應(yīng)用于人們的日常生活，在海陸空交通，時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，生命安全，位置服務(wù)等國民經(jīng)濟(jì)生活方面可謂無處不在，成為公認(rèn)的現(xiàn)代社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施之一［1］。

根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，廣泛應(yīng)用的技術(shù)容易成為敵對(duì)方和犯罪份子攻擊的目標(biāo)。由于GNSS信號(hào)到達(dá)地面功率很低 （－160dBW），且民用信號(hào)結(jié)構(gòu)是公開的，從而容易受到干擾和欺騙［2］。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙技術(shù)是敵方或犯罪分子通過發(fā)射與真實(shí)信號(hào)相同或者相似的虛假信號(hào)，引導(dǎo)受害接收機(jī)對(duì)其進(jìn)行捕獲跟蹤，使接收機(jī)得到錯(cuò)誤的定時(shí)定位結(jié)果。欺騙比干擾危害更大，因?yàn)槭芎邮諜C(jī)不能檢測到自己被欺騙，攻擊方式更為隱蔽［3］。簡單的欺騙攻擊可以通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）信號(hào)模擬發(fā)生器進(jìn)行，復(fù)雜的欺騙攻擊因軟件無線電技術(shù)的發(fā)展變得容易實(shí)現(xiàn)。欺騙帶來的后果可能是災(zāi)難性的，如引導(dǎo)敵方飛機(jī)按己方意愿飛行，或?qū)е逻h(yuǎn)洋運(yùn)輸輪船在海上 “迷路”，亦或者使依賴導(dǎo)航授時(shí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)統(tǒng)（電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)）陷入混亂等等。

2001年，美國交通部提交的報(bào)告對(duì)GPS在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估，指出其存在的脆弱性，建議在民用領(lǐng)域采取防欺騙措施［4］，由此拉開了防欺騙技術(shù)研究的序幕。近年來，防欺騙研究得到越來越多的關(guān)注，國外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜姨岢隽嗽S多有益的解決思路。

本文第二部分對(duì)欺騙攻擊方式做一簡單評(píng)述；第三部分分類介紹了當(dāng)前的防欺騙技術(shù)；第四部分初步建立防欺騙技術(shù)體系的構(gòu)想并對(duì)比了各類防欺騙技術(shù)的優(yōu)劣；最后在第五部分進(jìn)行總結(jié)。

2 欺騙干擾簡介

欺騙干擾是一種針對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的相關(guān)干擾。根據(jù)欺騙干擾信號(hào)的產(chǎn)生方式，可分為產(chǎn)生式和轉(zhuǎn)發(fā)式，而根據(jù)欺騙難度，可分為簡單、中等和復(fù)雜［3-7］。

2.1 欺騙干擾信號(hào)產(chǎn)生方式

產(chǎn)生式欺騙：將導(dǎo)航信號(hào)模擬器與功放、天線連接，即可產(chǎn)生用于欺騙目標(biāo)接收機(jī)的導(dǎo)航信號(hào)。這種欺騙信號(hào)難以與真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)同步，故產(chǎn)生的信號(hào)在接收端類似于噪聲，可使目標(biāo)接收機(jī)鎖定欺騙信號(hào)或失鎖［8］。

圖1 產(chǎn)生式欺騙

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙：先用導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號(hào)，然后直接將接收信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)或?qū)邮諏?dǎo)航電文信息篡改后轉(zhuǎn)發(fā)，使目標(biāo)接收機(jī)解得錯(cuò)誤的定位定時(shí)結(jié)果［8］。前者稱透明轉(zhuǎn)發(fā)，后者稱處理轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式由于與衛(wèi)星導(dǎo)航下行信號(hào)一致性很高，故不易被受害接收機(jī)發(fā)現(xiàn)。

2.2 欺騙技術(shù)分級(jí)

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙

簡單欺騙技術(shù)采用產(chǎn)生式，該信號(hào)與真實(shí)衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)一致性較差，如果目標(biāo)接收機(jī)采用一定的防欺騙措施，可使這種方法失效。此外，導(dǎo)航信號(hào)模擬器費(fèi)用較貴，對(duì)欺騙方要求較高。

中等欺騙技術(shù)采用 “接收－欺騙”模式，即轉(zhuǎn)發(fā)式，這種情況產(chǎn)生的欺騙信號(hào)與當(dāng)前衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)一致性較好，尤其是在電文內(nèi)容、時(shí)間頻率的同步上，可進(jìn)行單目標(biāo)攻擊，不易被受害接收機(jī)發(fā)現(xiàn)。

復(fù)雜欺騙技術(shù)首先測量目標(biāo)用戶的位置和時(shí)間，然后依據(jù)測得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生信號(hào)幅度、時(shí)間、信息比特、碼相位、載波相位相似的偽裝信號(hào)進(jìn)行攻擊，多個(gè)欺騙干擾源同時(shí)在不同地點(diǎn)對(duì)單一目標(biāo)或區(qū)域內(nèi)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行欺騙干擾。這些欺騙干擾源在時(shí)間上同步，目標(biāo)接收機(jī)更難發(fā)現(xiàn)，受害接收機(jī)甚至?xí)懦鎸?shí)信號(hào)，導(dǎo)致成功的欺騙［5］。

3 防欺騙技術(shù)

2012年6月底美國德州大學(xué)的T.E.Humphreys教授用無人機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了欺騙攻擊的現(xiàn)實(shí)可能性，引起同領(lǐng)域?qū)＜覙O大關(guān)注。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航在防欺騙方面的脆弱性，國外研究人員提出了許多防欺騙技術(shù)，根據(jù)關(guān)注點(diǎn)的不同，可將這些技術(shù)分為三個(gè)方面：信號(hào)體制，終端技術(shù)及外部輔助。

3.1 信號(hào)體制

采用鑒權(quán)的方式在信號(hào)格式中插入某些播發(fā)前無法讓攻擊方預(yù)知的秘密信息，用戶通過對(duì)這些秘密信息的真實(shí)性進(jìn)行校驗(yàn)，來判斷所跟蹤的信號(hào)是否是真實(shí)信號(hào)［9］。

3.1.1 擴(kuò)頻碼加密

由于軍用信號(hào)采用了加密措施，對(duì)其進(jìn)行欺騙成本較高。民用導(dǎo)航信號(hào)尚未采用此類措施，可借鑒軍用信號(hào)加密方式，在民用信號(hào)的導(dǎo)頻序列中每隔一段時(shí)間加入一段加密序列。

圖3 周期碼中插入加密序列

3.1.2 電文加密

如果欺騙方將導(dǎo)航信號(hào)接收下來并剝離導(dǎo)航數(shù)據(jù)，在上面調(diào)制偽造的導(dǎo)航數(shù)據(jù)向受害接收機(jī)播發(fā)，仍可能進(jìn)行成功的欺騙。針對(duì)這種方式，可采用電文加密，即在目前的保留頁或某些子幀上進(jìn)行部分信息加密或鑒權(quán)，接收機(jī)利用密鑰對(duì)電文真實(shí)性認(rèn)證。

圖4 電文加密

3.2 終端技術(shù)

單模衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端防欺騙可從三個(gè)層面入手：信號(hào)處理層、信息校驗(yàn)層、信息解算層。雙模（無線電導(dǎo)航 （radio navigation，RN）/無線電定位（radio determination，RD）組合）衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端還可利用衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù) （radio navigation satellite service，RNSS）和衛(wèi)星無線電定位服務(wù)（radio determination satellite system，RDSS）定位原理不同進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否受到欺騙干擾。

3.2.1 信號(hào)處理層

信號(hào)功率檢測：包括對(duì)信噪比，絕對(duì)功率，接收機(jī)移動(dòng)功率變化及多頻功率比的監(jiān)測［5］。在凈空的情況下，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和電離層變化引起的接收的信號(hào)功率變化是平滑的，若有欺騙信號(hào)進(jìn)來，接收機(jī)的信噪比會(huì)有突然的跳變 （信噪比監(jiān)測）［10］；欺騙設(shè)備與目標(biāo)接收機(jī)之間的路徑損失是易變的，欺騙設(shè)備很難控制欺騙信號(hào)不超過真實(shí)信號(hào)的正常功率 （絕對(duì)功率監(jiān)測）；由于欺騙設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間距離較近，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)功率變化很快，距離越近變化越劇烈 （接收機(jī)移動(dòng)功率變化監(jiān)測）［11］；大多數(shù)用戶機(jī)能夠接受多個(gè)頻點(diǎn)，如果欺騙方僅能針對(duì)單頻點(diǎn)進(jìn)行欺騙，利用接收機(jī)監(jiān)測雙頻功率狀況，依據(jù)多頻功率的差別可判斷是否有欺騙信號(hào) （多頻功率比監(jiān)測）。

殘留信號(hào)檢測：在不能精確知道受害接收機(jī)相對(duì)欺騙方天線的天線相位中心情況下，不可能完全壓制真實(shí)信號(hào)?？梢岳脷埩舻恼鎸?shí)信號(hào)進(jìn)行欺騙檢測和欺騙消除［3］。該技術(shù)類似直擴(kuò)碼分多址系統(tǒng)中用于改善遠(yuǎn)近效應(yīng)的方法，但對(duì)接收方硬件設(shè)備尤其是數(shù)據(jù)處理能力有要求。

來波方向檢測：如果一臺(tái)欺騙發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射幾顆不同衛(wèi)星的欺騙信號(hào)，那么各欺騙信號(hào)存在的空間相關(guān)性，可以采用多天線測向 （類似干涉儀）的方法進(jìn)行檢測［5，12-13］。由于天線之間基線已知，利用相同衛(wèi)星到達(dá)不同天線載波相位差可求得接收信號(hào)的波達(dá)方向。如果不同衛(wèi)星信號(hào)來自同一方向，可以判定己方受到欺騙干擾。

圖5 三臺(tái)天線判斷來波方向

兩天線之間的相位差Δφ為

式中，λ為導(dǎo)航信號(hào)波長，d為基線長度，θ為衛(wèi)星信號(hào)入射方位角。可以看到，利用相同衛(wèi)星同時(shí)刻到達(dá)兩天線的載波相位差Δφ，就可以求出該衛(wèi)星的入射方向θ。如果是判別各衛(wèi)星入射的方位角是否相同，只需兩個(gè)天線即可。三個(gè)天線可用于測量衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)天線的俯仰角，如圖所示，利用星歷、歷書解算出的衛(wèi)星俯仰角進(jìn)行校驗(yàn)。此方法還可用于消除欺騙信號(hào)，達(dá)到改善接收結(jié)果的目的。多天線技術(shù)是目前最為有效的防欺騙方法，具有不容忽視的應(yīng)用前景。

波達(dá)時(shí)刻檢測：對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙，其欺騙信號(hào)到達(dá)受害接收機(jī)時(shí)刻與真實(shí)信號(hào)相比存在不可避免的時(shí)延。如果轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)與直達(dá)信號(hào)在目標(biāo)接收機(jī)天線相位中心處的時(shí)延大于一個(gè)碼片時(shí)，則認(rèn)為接收機(jī)可能受到欺騙干擾［14-15］。

碼和載波速率一致性檢測：一般情況下，衛(wèi)星與接收機(jī)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，因此接收機(jī)的碼片滑動(dòng)和多普勒頻移變化是一致的。若欺騙設(shè)備在碼和載波頻率上控制不好，則可檢測到欺騙帶來的異常［5］。

自 動(dòng) 增 益 控 制 （automatic gain control，AGC）增益檢測：由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面的功率很低，需要接收機(jī)采用增強(qiáng)信號(hào)的方法，AGC的主要作用就是調(diào)整有源天線的增益大小。而存在欺騙干擾信號(hào) （轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙轉(zhuǎn)發(fā)放大的真實(shí)GNSS信號(hào)，同時(shí)放大了噪聲）時(shí)，AGC增益會(huì)快速降低，以此可作為檢測欺騙信號(hào)的判據(jù)［14］。

3.2.2 信息校驗(yàn)層

星歷、歷書校驗(yàn)：現(xiàn)有導(dǎo)航接收機(jī)能夠存貯導(dǎo)航衛(wèi)星星歷等信息，此信息在一段時(shí)間內(nèi)（12.5min）保持有效。利用存儲(chǔ)星歷或歷書與當(dāng)前接收的星歷或歷書進(jìn)行校驗(yàn)［3-5］。如果發(fā)現(xiàn)有明顯不一致，則說明接收機(jī)有可能受到欺騙干擾。

衛(wèi)星時(shí)鐘校驗(yàn)：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)受到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文中包含時(shí)鐘信息，不同衛(wèi)星的時(shí)鐘信息應(yīng)該是保持同步的，在非同步攻擊中的電文信息出現(xiàn)時(shí)鐘信息前后會(huì)有突變，以此可作為遭受欺騙攻擊的依據(jù)［14］。

加密或鑒權(quán)認(rèn)證：對(duì)加密或鑒權(quán)信息進(jìn)行認(rèn)證，需對(duì)未來民用信號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益問題，此技術(shù)短期內(nèi)不適用。

3.2.3 信息解算層

接收機(jī)自主完好性檢測：欺騙信號(hào)可看做是故障衛(wèi)星信號(hào)，可利用接收機(jī)自主完好性監(jiān)測 （receiver autonomous integrity monitoring，RAIM）算法剔除故障星，達(dá)到消除欺騙的目的。RAIM算法在衛(wèi)星導(dǎo)航完好性領(lǐng)域研究比較活躍，已有成熟的理論和技術(shù)，可作為一種實(shí)現(xiàn)方法做進(jìn)一步研究［16］。

本地時(shí)鐘變化率：利用靜態(tài)情況下解算鐘差及變化率或單星時(shí)差基本保持穩(wěn)定的特點(diǎn)，當(dāng)解算出的本地時(shí)鐘特性發(fā)生突變時(shí)即可懷疑受到了欺騙干擾。

多普勒頻移檢測：多普勒頻移是由于衛(wèi)星與接收機(jī)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。多普勒頻移計(jì)算公式為

式中，fr為接收機(jī)接收頻率，ft為衛(wèi)星發(fā)送頻率，vr為星地相對(duì)速度矢量，a為衛(wèi)星在接收機(jī)處的單位觀測矢量，c為光速。接收機(jī)可以根據(jù)歷書或先驗(yàn)頻移信息估算出未來的頻移大小，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻移范圍在±5kHz左右，變化率在1Hz/s左右，這些變化是近似線性的。因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)確定的用戶，接收機(jī)可以設(shè)定未來頻移變化的上下限，從而一旦頻移出現(xiàn)超出門限的突變，就可能被欺騙了［5］。

3.2.4 RN/RD雙模組合

由于欺騙方大多會(huì)采用針對(duì)GPS的欺騙干擾，而我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)采用RDSS體制，與GPS無源定位方式不同，RDSS是有源定位方式，頻段和原理都有不同，因此可采用RN/RD雙模組合終端來進(jìn)行欺騙檢測。

3.3 外部輔助

將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的解算結(jié)果與其他導(dǎo)航手段測量結(jié)果對(duì)比，如定位結(jié)果偏差超出可接受范圍，則認(rèn)為存在被欺騙的可能［17］。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)互操作：目前世界上4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存，利用互操作技術(shù)使接收機(jī)接收所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位結(jié)果進(jìn)行組合判別 （除非所有導(dǎo)航信號(hào)同時(shí)受到欺騙）。

與慣導(dǎo)單元組合：獨(dú)立式慣導(dǎo)設(shè)備不依賴外界信息，可獨(dú)立地提供多種較高精度的導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度、姿態(tài)），將慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航組合，可以有效地判別導(dǎo)航結(jié)果的真實(shí)性。

與其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組合：在衛(wèi)星導(dǎo)航出現(xiàn)之前，地面無線電導(dǎo)航就已廣泛應(yīng)用 （羅蘭系統(tǒng)、塔康系統(tǒng)等），可比較衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)解算結(jié)果與地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)測量結(jié)果，以確認(rèn)是否受到欺騙干擾。

與其他傳感器組合：氣壓高度計(jì)、磁羅經(jīng)等傳感器可提供一些輔助信息給接收機(jī)參考。

3.4 技術(shù)對(duì)比

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，可將防欺騙技術(shù)做一個(gè)簡單評(píng)析，見表1。

表1 欺騙檢測技術(shù)對(duì)比

表2 欺騙消除技術(shù)對(duì)比

分析上述兩個(gè)表，由于每種防欺騙技術(shù)都有其一定的應(yīng)用場景，在建立防欺騙體系的過程中，其付出的代價(jià)和實(shí)際效果是需要平衡的。防欺騙技術(shù)存在成功概率問題，為得到最佳的防欺騙效果，必須綜合考慮。

4 防欺騙技術(shù)體系

前節(jié)討論了目前防欺騙研究領(lǐng)域的主要技術(shù)手段，通過分析可看出各種技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)及適用場景各有不同。為應(yīng)對(duì)欺騙干擾的威脅，必須將建立國家防欺騙體系工作提上日程，使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠安全、可靠地提供應(yīng)用服務(wù)。通過對(duì)現(xiàn)存防欺騙手段的對(duì)比分析 （表1、表2），防欺騙體系可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)：欺騙檢測、欺騙消除和反向定位。

欺騙檢測目的在于發(fā)現(xiàn)欺騙干擾，并不能對(duì)欺騙干擾采取對(duì)策［4］；欺騙消除則是在已知欺騙干擾存在的情況下，減輕或消除欺騙干擾影響，恢復(fù)受害接收機(jī)正常導(dǎo)航定位功能［5］；反向定位是在發(fā)現(xiàn)欺騙存在時(shí)，采用陣列天線等技術(shù)定位干擾源位置，對(duì)干擾源進(jìn)行警告甚至摧毀之，達(dá)到物理消除欺騙干擾的目的。目前尚無專門研究反向定位的防欺騙技術(shù)，由于在防欺騙領(lǐng)域具備實(shí)戰(zhàn)能力，應(yīng)在未來研究中給予關(guān)注。防欺騙體系的三個(gè)環(huán)節(jié)具有時(shí)間上的繼起性，本文所提到的防欺騙技術(shù)可用于防欺騙體系各個(gè)環(huán)節(jié)，如圖6所示。

圖6 防欺騙體系各環(huán)節(jié)示意圖

圖6為建立防欺騙技術(shù)體系提供了有益的思路，其中包含的防欺騙技術(shù)具有一定的實(shí)用性，在未來工作中需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文簡要分析了欺騙干擾對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的危害，討論了目前防欺騙研究領(lǐng)域已有的防欺騙技術(shù)，從建立防欺騙體系的角度對(duì)現(xiàn)有防欺騙技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比。單一防欺騙技術(shù)難以達(dá)到最佳結(jié)果，根據(jù)不同場景綜合運(yùn)用防欺騙技術(shù)，建立國家防欺騙技術(shù)體系，是將來研究的重要方向。

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