衛星導航欺騙式干擾抑制技術研究與分析

劉 鵬, 陳思源, 任嬋嬋, 劉盛典

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

0 引言

衛星導航是一種重要的衛星應用形式，在政治、經濟、科學和軍事等各項人類活動中得到了廣泛應用。衛星導航系統以人造衛星作為導航臺，可以為全球陸、海、空、天的各類軍民載體，提供全天候、24h連續高精度的三維位置、速度和時間信息[1]。在為人類活動提供便利的同時，由于工作空間中復雜的電磁干擾環境，衛星導航系統本身存在的一些問題逐漸暴露出來。由于國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU)對地面接收衛星信號功率密度的限制，致使地面接收到的衛星導航信號相當微弱，很容易受到各種類型射頻干擾的影響。因此，干擾抑制技術已經成為保證衛星導航接收機正常工作的必備手段[2]。

導航接收機所受干擾分為無意干擾和有意干擾兩種。對于民用導航接收機，主要的干擾形式為無意干擾；而對于軍用導航接收機而言，主要考慮的干擾形式為有意的人為干擾。從技術角度出發，有意干擾又可以分為兩類：一是壓制式干擾，二是欺騙式干擾[2]。壓制式干擾通過發射干擾信號以壓制在導航接收機前端的導航衛星信號，使導航接收機接收不到導航衛星信號，從而導致衛星導航接收機無法正常工作，其表現為捕獲時間變長甚至無法捕獲、衛星信號載噪比下降、同時接收的衛星數減少、導航定位精度下降及失鎖等問題。欺騙式干擾是使接收機在看似正常工作的條件下，讓虛假的衛星信號以強于真實導航信號的形式，優先控制導航接收機的跟蹤環，使接收機鎖定錯誤的衛星信號繼而解算出虛假的導航數據，計算出錯誤的位置、速度和時間信息。根據干擾機理，基本的欺騙式干擾可以分為生成式干擾與轉發式干擾兩種。壓制式干擾和欺騙式干擾均會對導航信號的觀測量精度和定位精度造成一定影響，甚至在采取抗干擾措施的情況下，仍然無法完全消除影響。

相比壓制式干擾，欺騙式干擾具有較強的隱蔽性，因此不易被發現，可獲得良好的干擾效果[3]。針對壓制式干擾抑制技術，目前國內外已開展了深入研究，相關技術已在導航接收機中得到大量應用。相對而言，國內外對欺騙式干擾抑制技術的研究起步稍晚。隨著伊朗誘捕美國無人機等一系列有影響事件的發生，近年來，欺騙式干擾抑制技術逐漸成為衛星導航應用領域的研究熱點，國內外科研機構對此開展了大量研究工作。

本文針對衛星導航欺騙式干擾抑制技術開展相關研究，論述了國內外欺騙式干擾抑制技術的研究現狀，以及研究中采用的技術手段，并按照適用接收機的類型對技術進行了分類，對各類技術的干擾抑制效果進行了對比分析。在此基礎上，分析了未來欺騙式干擾抑制技術的發展趨勢，以期能夠對該領域的后續研究產生一定的參考借鑒價值。

1 欺騙式干擾分類及工作原理

欺騙式干擾是干擾抑制技術的作用對象，不同的干擾抑制技術適用的干擾類型不同，研究欺騙干擾機理是開展欺騙式干擾抑制研究的基礎，因此有必要對欺騙式干擾信號的主要類型及其工作原理進行研究。

欺騙式干擾的基本形式包含轉發式和生成式兩種，在此基礎上，又可以衍生出其他干擾類型，本文重點介紹了中間媒介偽造以及多系統協同復雜欺騙，這兩種衍生類型可認為是生成式干擾的擴展。

1.1 欺騙干擾類別

1.1.1 轉發式欺騙干擾

轉發式欺騙是利用高增益的天線接收視線范圍內的導航衛星信號，通過延遲和功率變換，從射頻端向干擾區域內播發，其工作原理如圖1所示。

圖1 轉發式欺騙示意圖Fig.1 Repeater spoofing diagram

此種欺騙方式的實現方式較為簡單，不需要解析導航信號的結構，且對于加密的導航信號依然有效，因此國內外的研究較多。該欺騙樣式的弊端在于，在接收機端，欺騙信號的時延一定滯后于真實信號，欺騙信號欲有效地接管接收機通道并產生欺騙效果，往往需要首先發送強功率壓制式干擾，使被欺騙接收機的正常跟蹤狀態被打斷，迫使其重新捕獲信號。這一特點將利于接收機檢測欺騙。

1.1.2 生成式欺騙干擾

簡單的自主生成式欺騙可以用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)模擬信號源配合射頻天線來實現，其工作原理如圖2所示。

圖2 自主生成式欺騙示意圖Fig.2 Self-generated spoofing diagram

這種欺騙方式可以通過設置信號源參數，生成任意衛星號的偽造信號，但較難與欺騙區域內的真實衛星信號保持一致或者同步。因此，此種欺騙方式也需要通過壓制干擾，或提高偽造信號功率的方法，使欺騙信號能夠有效地進入接收機跟蹤通道，而這種異常的高功率信號也將為欺騙的檢測提供機會。另外，由于需要事先知道信號格式，該類型通常僅適用于對公開導航信號進行欺騙。

1.1.3 中間媒介偽造欺騙干擾

中間媒介偽造式欺騙干擾同時使用導航接收機與信號發生器，因此該種欺騙設備也被稱為Receiver-Spoofer。導航接收機用于跟蹤視線范圍內的所有真實衛星信號，并實時提供真實信號的載波多普勒、偽碼延遲、導航電文及時間信息，這些信息將被傳遞給信號發生器，信號發生器結合欲欺騙目標接收機的位置和速度信息，產生接近于真實信號的欺騙信號，其工作原理如圖3所示。

圖3 中間媒介偽造式欺騙示意圖Fig.3 Intermediate spoofing diagram

中間媒介偽造式欺騙可以在不打斷接收機跟蹤狀態的情況下，隱蔽地完成欺騙過程，因而不易被發現，干擾抑制難度較大。該欺騙樣式主要存在2個缺點：1)需要事先獲取目標接收機的位置和速度等信息，具有一定難度；2)欺騙信號作用范圍較小。

1.1.4 多系統協同復雜欺騙干擾

更為高級的欺騙方式，是利用多個協同的設備和天線，聯合發送偽造信號，用于偽造來波方向等信號的空域特征，可以對陣列天線接收機實施有效欺騙，如圖4所示，多個干擾設備的協同是這種欺騙的關鍵所在。

圖4 多系統協同復雜欺騙示意圖Fig.4 Multi-system cooperative complex spoofing diagram

這種欺騙樣式的技術要求非常高，實現難度很大。從相關文獻來看，該欺騙樣式目前還只停留在理論概念階段，但預計未來有望成為重要的干擾樣式，特別是在軍事對抗領域。

1.2 欺騙效果分析

各類欺騙樣式對比總結如表1所示。不同的欺騙方式所需要的成本、技術難度、效果(抗反欺騙能力)各有不同，各種欺騙方法的適用范圍差別也較大。

這里的欺騙范圍指達到相應欺騙樣式預期欺騙效果的范圍，對于中間媒介偽造和多系統協同復雜欺騙這些針對特定目標的復雜欺騙，在施加過程中也會對一定范圍內的設備產生影響。欺騙式干擾的影響范圍主要受干擾施加平臺和干擾功率等因素影響。對于大范圍遠距離欺騙式干擾，相對于地面干擾平臺，升空干擾平臺更具優勢，例如直升機、專用電子對抗飛機、無人駕駛飛機、系留氣球、衛星等。

2 導航欺騙干擾抑制技術研究

2.1 國外研究現狀分析

國外對導航欺騙干擾抑制技術的研究起步較早，早在2001年，美國運輸部就評估了全球定位系統(Global Positioning System，GPS)的脆弱性對交通運輸設施的影響，并首次表達了對于欺騙式干擾威脅的擔憂。美國國家運輸系統中心在提交給國家運輸部的技術報告文件中概要地論述了關于GPS的欺騙式干擾以及抗欺騙式干擾技術，闡述了基于欺騙式干擾的信號特征判別的抗欺騙式干擾方法[4]。

受伊朗捕獲美國無人機事件的影響，近年來衛星導航欺騙式干擾抑制技術得到快速發展。該事件發生于2011年12月，一架由美國生產的RQ-170哨兵無人偵察機在入侵伊朗領空250km時被捕獲。伊朗尚未公開其捕獲方案，比較可信的捕獲過程為：首先屏蔽無人機的通信鏈路，切斷其與地面控制中心的聯系；同時利用壓制式干擾使其無法正常接收真實GPS衛星信號，迫使其進入純慣性導航狀態；這時利用轉發欺騙式干擾技術，把錯誤信息包裝成看起來可靠的GPS信號，通過欺騙無人機海拔和經緯度數據，使其降落在指定地點，而整個過程中無需破解無人機與指控中心的遠程控制及通信信號。

受此事件影響，國外開展了大量衛星導航欺騙式干擾抑制技術的研究工作，其中美國處于領先地位，主要研究機構包括美國的德州大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)、羅德島大學(University of Rhode Island)、加拿大的卡爾加里大學(University of Calgary)，以及韓國的國立首爾大學(Seoul National University)等。

美國德州大學奧斯汀分校是國外較早開展欺騙干擾與干擾抑制技術研究的工作機構，該校在欺騙干擾機理和干擾抑制技術研究方面開展了大量工作。欺騙干擾機理研究方面，2012年6月，Todd E. Humphreys 教授領導的無線電導航實驗室開展了2項公開的測試研究，評估欺騙式干擾對于民用無人機和智能電網的影響，結果表明，它們都很容易受到欺騙式干擾的影響[5]；2013 年7 月，該實驗室還通過現場實驗，用欺騙式干擾成功地控制了一艘船偏離航線[6]；2014 年，他們又成功地欺騙了一架無人機，控制了它的飛行位置[7]。

干擾抑制技術研究方面，實驗室研究人員對關于加密認證的欺騙式干擾檢測技術在民用接收機中的應用進行了詳細的分析和討論[8-9]。目前，GNSS運營機構通過在各系統在電文格式設計中均存在的預留字節上加入電文加密認證，從而使接收機可以準確地區分出真實衛星信號和生成式欺騙干擾信號。但這樣的區分需要解碼到電文階段才能判斷是否是干擾，并且意味著整個系統電文的修改，這將是一個浩大的工程。而且這種方法只能區分生成式欺騙干擾，而轉發式欺騙干擾將包含電文的加密認證信息，從而無法對其進行有效抑制。此外，他們還提出了結合慣性導航設備的欺騙式干擾檢測技術[10-11]，該方法同時適用于轉發式干擾與生成式干擾，但對受限于成本和體積等因素的、不依賴于其他輔助設備的導航設備不可行。

此外，美國羅德島大學的研究人員提出了利用2個以上接收機的定位結果差異來進行轉發式欺騙干擾的檢測[12]，然而這種方法需要多個獨立的接收機分別進行定位。加拿大卡爾加里大學的研究人員提出了利用陣列天線中不同陣元間的信號相關值異常來檢測欺騙式干擾[13]，然而這種方法僅可用于檢測單個高功率的轉發式欺騙干擾；他們還研究了采用GNSS、慣性導航和里程計一致性檢驗來檢測欺騙式干擾的方法[14]，需要借助較多輔助設備。俄羅斯的Sergery Lyusin等研究了通過定位結果檢測和估計欺騙式干擾的方法[15]。韓國國立首爾大學的Beomju Shin等推算出欺騙過程方程，可以計算欺騙過程中欺騙信號的碼相位，并評估欺騙信號成功的可能性[16]。在對前人研究工作進行總結的基礎上，德州大學奧斯汀分校的Mark L. Psiaki等對可能的欺騙模式和已有的抗欺騙式干擾方式進行了總結，歸納出涵蓋多天線、慣導輔助、信號加密等13種組合的抗欺騙方法[17]。工程應用方面，2017年11月GPSdome公司推出了無人機GPS抗干擾和抗欺騙天線模塊GPSdome 1.0-T，該模塊可保護無人機和其他自主設備上基于GPS的計時系統免受干擾和欺騙。2018年5月，美高森美公司發布了選擇可用性防欺騙模塊的全新SyncServer S650 SAASM服務器產品，為國防市場中包括衛星通信和國防作戰基礎設施等關鍵任務電子系統和儀器儀表應用的同步提供了一個高度安全、準確、靈活的時間和頻率平臺。

2.2 國內研究現況分析

相比國外，國內對衛星導航欺騙式干擾的研究起步稍晚，但隨著我國自主北斗導航系統建設的快速推進，近年來受到了越來越高的重視。國內主要研究機構包括清華大學和國防科技大學、上海交通大學以及北斗開放實驗室等單位。

欺騙干擾機理研究方面，海軍工程大學的研究人員對生成式欺騙干擾的類型和特點進行了一定的分析[18]；國防科技大學和上海交通大學的研究人員基于衛星導航模擬仿真技術，構建了生成式欺騙干擾仿真評估平臺，對虛假信號牽引目標接收機跟蹤環路的功率需求及對定位的影響進行了分析[19-20]；西安電子科技大學的研究人員對轉發式干擾的作用機理及影響進行了分析[21]。北斗開放實驗室在2016年的第七屆中國衛星導航學術年會上發布了全國首套誘騙式民用反無人機系統—ADS2000，可通過全面干擾、壓制、欺騙甚至接管無人機核心導航系統實現對黑飛無人機管控的捕獲。信息工程大學的何婷等對GNSS轉發式欺騙干擾算法進行了改進，指出GNSS 多天線轉發式欺騙干擾在實際應用中，當干擾機與目標機距離大于一定范圍時，將引起目標機鐘差突跳，導致欺騙信號容易被檢測和識別。為此提出了干擾機陣列按照正六邊形網型布設，可實現目標區域的無縫覆蓋，并且靈活易拓展[22]，但這種改進方式需要多臺干擾機，且干擾目標區域有限。

干擾抑制技術研究方面，海軍工程大學的研究人員對基于加密認證的欺騙式干擾檢測技術進行了分析[23]，其結論與德州大學奧斯汀分校的結論相似，該方法僅適用于生成式欺騙干擾，無法對轉發式欺騙干擾進行有效抑制；解放軍理工大學的研究人員分析了基于到達時間檢測的抗轉發式干擾方法[24]，該方法基于轉發干擾信號到達時間落后于真實信號的假設，因此僅適用于轉發式欺騙干擾；清華大學的研究人員提出了利用捕獲階段多峰檢測和跟蹤階段信號質量監測算法將觀測量分類，并結合信號完好性監測算法檢驗區分欺騙信號與真實信號，以及捕獲階段碼多普勒和載波多普勒一致性檢測法等[25-26]。其中，捕獲階段多峰檢測算法僅適用于轉發式干擾，跟蹤階段信號質量監測算法適用于生成式干擾，信號完好性監測僅能檢測一顆導航星的欺騙信號。將三種方法進行結合，可以獲得較為理想的欺騙干擾抑制效果，但該方法基于單天線，對于利用方向信息進行欺騙的多系統協同復雜欺騙干擾抑制效果較差。上海交通大學的戰興群研究了通過檢測多普勒頻差(Detect Doppler Difference，DFD)檢測單天線欺騙式干擾的方法，指出在接收機隨機運動時，2顆真實衛星信號之間的DFD為非線性的，單天線欺騙信號為線性，并建立DFD模型將檢測欺騙式干擾轉化為檢測序列線性問題[27]，這種抑制方法僅針對單天線欺騙式干擾，不能應對復雜的多系統協同欺騙。此外，北京環球信息應用開發中心的研究人員分析了利用單天線時域卡爾曼濾波對欺騙式干擾進行抑制的方法[28]；哈爾濱工業大學的羅德巳對基于分塊粒子濾波的改進型自主完好性監測抗欺騙式干擾方案進行了研究[29]；南京大學的徐瑞對采用GNSS/INS松耦合位置融合和位置速度融合時，慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)對欺騙式干擾的補償進行了評估[30]；北京航空航天大學的孫超研究了多種度量標準的信號質量監測(Signal Quality Monitoring, SQM)欺騙式干擾檢測方法[31]；中國民航大學的張瑞華等針對生成式欺騙干擾結合陣列天線技術與矢量跟蹤環路，提出了一種基于矢量跟蹤環路的欺騙干擾檢測和抑制方法[32]。雖然都對已有算法進行了一定程度的改進，但也無法對四種欺騙干擾樣式進行完全抑制。

2.3 導航欺騙干擾抑制技術的分類

在導航接收機的實際應用中，干擾抑制技術的實現往往受到接收機具體形態的影響，以上調研的各項技術并不是對于所有接收機都能適用。例如文獻[10]和文獻[11]提到的干擾抑制技術需要利用慣性輔助信息，不能適用于單獨利用衛星導航進行定位的設備；文獻[13]提到的干擾抑制技術需要利用陣列天線中不同陣元間的信號相關值，不能適用于利用單天線工作的設備。可見，在對干擾抑制技術進行研究時，必需考慮接收機的具體產品形態。因此，本文根據接收機的產品形態對導航欺騙干擾抑制技術進行了分類。

接收機的產品形態主要受到安裝載體的體積和功耗等因素的影響。為了便于開展干擾抑制技術研究，本文按照天線形態和是否有外部輔助信息將導航接收機分為單天線接收機、陣列天線接收機以及慣性信息輔助接收機三種，相應的干擾抑制算法按照適用接收機的不同也分為三種。

根據上述分類準則，本文調研的各項國內外研究技術分類結果如表2所示。

表2 欺騙干擾抑制技術分類Tab.2 Classification of anti-spoofing method

需要說明的是，陣列天線接收機和慣性信息輔助接收機可以認為是單天線接收機的擴展，通常適用于單天線接收機的算法也能適用于另外兩種接收機，但適用于陣列天線接收機和慣性信息輔助接收機的算法對單天線接收機并不適用。

2.4 干擾抑制效果分析

如圖 5和圖6所示，本文介紹了四種欺騙式干擾樣式，以及三種干擾抑制技術類別。

圖5 欺騙式干擾類別Fig.5 Category of spoofing

圖6 干擾抑制技術適用接收機類別Fig.6 Receiver category of anti-spoofing technology

根據研究現狀分析，常見的檢測和抑制欺騙式干擾的方法主要包括：加密認證、多峰檢測、信號質量檢測、定位結果檢測、多普勒一致性檢測等可用于各種接收機的方法；涉及信號來向檢測等陣列天線接收機特有方法；以及需要慣導輔助等僅用于慣性輔助接收機的方法。

根據理論分析，對三類干擾抑制方案對四種干擾樣式的抑制效果進行了評估，結果如表3所示。其中√表示可以較好的抑制，～表示能抑制某些情況，×表示不能抑制。需要說明的是，適用于單天線接收機的欺騙干擾抑制技術通常也能用于其他兩類接收機，本文為了便于比較，表3中假設陣列天線和慣性輔助接收機僅采用了引入陣列方向信息和慣性輔助信息后的增量技術手段。

表3 欺騙式干擾方式與抗欺騙式干擾方案關系Tab.3 Relationship between spoofing and anti-spoofing schemes

其中，定位結果檢測方法不受欺騙形式的限制，但僅能在欺騙衛星信號數較少時起作用。通過分析可見：

1)單一通用技術對欺騙式干擾抑制效果有限，僅可抑制某類或某些情況下的欺騙式干擾，綜合多種技術對欺騙式干擾具有較好的效果，對于轉發式干擾，當前應用通常要求可以抑制轉發延時不小于1.5碼片的干擾；

2)多天線方案通過檢測欺騙式干擾來向識別干擾，不能識別可以偽造來向的多系統協同復雜干擾；

3)慣性信息輔助抗欺騙方案可以在捕獲跟蹤定位各階段進行信號一致性檢測，利用慣性信息作為基準可抑制更多的欺騙式干擾樣式；

4)陣列天線接收機和慣性輔助接收機干擾抑制效果更優，但與單天線接收機相比，其體積、功耗及成本均會明顯增加。

3 發展趨勢分析

通過上述對國內外衛星導航欺騙式干擾抑制技術的研究情況，結合應用需求分析，本文認為衛星導航欺騙式干擾抑制技術主要有以下發展趨勢：

(1)多源融合欺騙式干擾抑制技術

衛星導航定位精度高，但作為一種非自主導航手段，必然面臨干擾的問題，與以慣性導航為代表的自主導航手段相結合是提升抗干擾能力的有效手段。近年來，隨著以Micro-PNT為代表的小型化自主導航傳感器的發展，兩者結合必然能夠更好的融合發展。

(2)高精度差分定位與干擾抑制技術的結合

欺騙干擾通常與壓制干擾相結合，兩者均會對導航衛星的偽距和載波相位觀測量精度造成一定影響，這種影響對于高精度的差分定位接收機影響較大。因此，研究低失真干擾抑制算法，減小干擾抑制時對偽距和載波相位等觀測量的影響，具有顯著的應用價值。

(3)欺騙式干擾與壓制式干擾聯合抑制技術

當前的衛星導航接收機設計中，欺騙式干擾與壓制式干擾的抑制算法基本是獨立的，如何在設計上將二者有效融合，相互提升各自的干擾抑制效果，實現1+1>2的效果，也是未來需要重點考慮的研究方向。

(4)高集成度、低功耗的工程應用需求

工程應用中，對衛星導航設備的功耗和體積等技術指標提出了越來越高的要求，高集成度和低功耗一直是衛星導航接收機的發展趨勢。隨著衛星導航射頻和基帶芯片的研制，接收機的集成度大為提升，功耗大幅下降，導航接收機小型化是未來工程應用的研究重點與難點。

4 總結

欺騙式干擾抑制技術是當前衛星導航應用領域的重要發展方向，本文對衛星導航欺騙式干擾抑制技術進行了研究，論述了國內外欺騙式干擾抑制技術的研究現狀，調研了國內外主要研究機構針對欺騙式干擾抑制采取的技術措施，進一步按照適用接收機的類型對技術進行了分類，并對各類技術的干擾抑制效果進行了對比分析。在此基礎上，展望了未來欺騙式干擾抑制技術的發展趨勢，對從事該項技術的研究者具有一定的參考借鑒價值。