衛星導航系統密碼戰欺騙與反欺騙技術及運用

航天工程大學士官學校 任思衡 楊保平 李華 李倩

密碼與軍事作戰具有十分緊密的聯系。早在公元前約500年的希波戰爭時期，希臘人就利用“隱文術”傳遞軍事情報，最終贏得了戰爭的勝利；在長征時期，我軍高度重視機要密碼工作，通過破譯國民黨軍隊的密碼，牢牢掌握了作戰主動權[1]；在現代戰爭中，軍事密碼在指揮決策、情報傳遞、通信聯絡、武器制導等方面發揮著不可或缺的重要作用，圍繞“軍事密碼運用與對抗”的密碼戰研究不斷發展[2]。

隨著人類進入太空時代，軍事密碼廣泛應用于全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System， GNSS）的信號收發和信息傳遞。衛星導航系統憑借其“高精度、全天時、全天候、海陸空天一體”的優勢被譽為現代軍事力量的倍增器。在太空對抗行動中，阻止敵方利用衛星導航系統，保護己方和友軍正常使用衛星導航系統，逐漸成為了行動的關鍵環節。基于國防建設和國家安全的需要，我國從20世紀80年代開始獨立建設北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS），經過數十年探索，北斗三號衛星導航系統已于2020年建成并提供全球衛星導航服務[3]。在此背景下，加強包括北斗導航系統在內的衛星導航系統運用與對抗的研究具有十分重要戰略意義和軍事價值。

1 衛星導航系統欺騙技術

目前，美國、俄羅斯、中國、歐盟等國家和組織均建立了自己的衛星導航系統。在常規烈度的戰爭中，大國之間直接毀傷在軌衛星和地面控制站的作戰方式，面臨的政治風險較大，實現的可能性較低。而衛星導航系統欺騙技術作為一種電磁干擾手段，具有隱蔽性與高效性，政治風險低，干擾范圍大，在實際作戰中具有廣泛的應用空間。

衛星導航系統欺騙技術是根據導航信號和擴頻碼（偽隨機碼）的特征規律進行攻擊。欺騙干擾機可以發射與導航信號相同或相似，而功率稍強的欺騙信號，使接收機誤以為欺騙信號是真實信號，導致接收機被誤導從而產生虛假導航信息或者無法輸出導航信息。衛星導航系統欺騙技術主要分為轉發式欺騙技術和生成式欺騙技術[4]。相比于其他類型的電磁干擾，衛星導航系統欺騙技術更具有隱蔽性與威脅性，在作戰中具有廣闊的應用前景。在軍事訓練和實際作戰中積極探索運用衛星導航系統欺騙技術，是衛星導航系統密碼戰的具體手段，可以實現干擾敵方導航設備，誘騙敵方作戰部隊，奪取戰場主動權的目的。

1.1 轉發式欺騙

轉發式欺騙首先對真實衛星導航信號進行截獲和存儲，然后將信號延遲播發，延長星地信號傳播時間，進而達到混淆用戶定位結果的目的。轉發式欺騙直接利用了真實衛星導航信號，無需分析信號內部結構，所以即使導航信號采用了破譯難度較高的軍用密碼，干擾機也可能對用戶設備實施欺騙[5]。為了讓轉發式干擾信號更易于被目標設備所捕獲，通常情況下干擾信號會比真實衛星導航信號的功率略高[6]。

具體而言轉發式欺騙可以采取2種實現手段。第一種方法是使用單個接收天線接收目標區域內所有真實的衛星導航信號，并經過統一的延時和功率放大處理后，再利用發射天線進行轉發；第二種方法是采用高增益窄波束的陣列天線，讓每個接收天線與區域內每顆衛星一一匹配，將不同的衛星導航信號附加不同的延遲時間后再進行轉發[7]。

1.2 生成式欺騙

生成式欺騙根據截獲真實信號的基本特征生成與真實信號強相關的偽隨機碼，調制與真實電文格式完全相同的欺騙導航電文，最終經天線發射加載了該電文的欺騙信號[8]。

具體而言，生成式欺騙可以采用3種實現手段。第一種方法是使用信號模擬源直接產生欺騙信號，且欺騙信號與真實衛星導航信號之間不要求嚴格的時間同步。當用戶設備處在冷啟動狀態或被外界復雜電磁環境干擾，需要重新捕獲衛星導航信號時，很容易受到干擾信號的欺騙；第二種方法是解析真實衛星導航信號，解調出導航電文并進行有針對性的修改。通過參考真實衛星導航信號的具體參數，使用信號模擬器對導航電文重新擴頻，產生并播發欺騙電文；第三種方法是在第二種方法的基礎上，并在完成解析真實衛星導航信號的情況下，依據目標用戶的具體位置，構造與真實衛星導航信號相同但相位相反的欺騙信號。根據無線電波的干涉規律，這種欺騙信號會與真實衛星導航信號相抵消，導致目標衛星導航設備無法完成定位[7]。

2 衛星導航系統反欺騙技術

現有欺騙干擾技術對衛星導航系統的安全性和可靠性產生了一定威脅。對此，應該加強反欺騙技術的應用，防止衛星導航系統在實際作戰中被敵方欺騙，在衛星導航系統密碼戰中筑牢防御之盾。

實際上，衛星導航系統在體系設計上已經考慮了抗干擾功能。目前，世界上主流的衛星導航系統已經建成和使用了抗干擾星載測距接收機、高安全性軍碼模塊和保密芯片、地面站信號收發抗干擾單元、監測接收機全向抗干擾單元、終端抗干擾單元，具備一定的抗干擾能力。但在衛星導航系統密碼戰的背景下，仍需要主動改進反欺騙技術，保證衛星導航系統的安全性與可靠性。具體而言，可以從以下幾方面加以改進。

（1）提高對高級欺騙技術的識別能力。目前，衛星導航領域高級欺騙技術不斷發展，衛星導航系統存在著被欺騙干擾的風險。對此，可以通過加強對目標接收機中間相位的準確檢測等方式，進一步改進衛星導航系統天線圖像識別技術，從而更好地抑制真實信號無感欺騙等高級欺騙技術。

（2）加強對欺騙消除技術的研究與應用。對于終端設備而言，由于欺騙信號進入信號通道會帶來跟蹤環路誤差，從而產生定位精度下降或環路失鎖的現象，所以在設計終端信號檢測系統時，不僅應主動檢測到欺騙信號的存在，還可以結合人工智能技術和機器學習技術，采用更智能的濾波算法，加強衛星導航系統對欺騙信號的抑制和消除。

（3）采用帶有對抗性峰值標識符和真實信號檢索器的SemperFi模塊。SemperFi模塊包含了針對連續干擾消除設計的算法和子模塊，能夠恢復被掩蓋的真實衛星導航信號。在導航設備遭到欺騙攻擊期間，它能夠實時跟蹤真實的衛星導航信號并估算出用戶的具體位置[9]。

（4）綜合運用多種抗欺騙手段，構建多層次的防護體系。首先，可以在射頻前端使用抗欺騙天線，降低欺騙信號的強度；其次，在信號處理階段，可以搭建單獨的跟蹤環路，實時跟蹤鎖定欺騙信號，并利用欺騙信號參數和其他輔助設備參數比對，消除欺騙信號；再次，在信息處理階段，可以通過完好性監測技術防止用戶設備對欺騙信號的誤判；最后，在數據融合層面，可以綜合利用其他外源傳感器的信息，通過緩變故障監測等方式，剔除剩余的被欺騙數據，并結合其他有效數據進行定位、導航和授時[10]。

（5）強化對欺騙設備的探測和毀傷能力。欺騙設備工作時會發出大量特征信號，通過技術偵察手段可以對欺騙設備加以探測和定位。戰時，可以在作戰區域內廣泛設置干擾源監測設備和反干擾定位系統，找出敵方的欺騙設備，并運用反干擾無人機或小型反輻射導彈等武器對其進行精確毀傷，從而直接消除欺騙信號對衛星導航用戶設備的威脅。

3 衛星導航系統機要密碼抗欺騙干擾應用

短報文是衛星導航系統的一種功能，可以用于發布作戰文書，下達作戰命令，實現對部隊的指揮控制。但由于衛星導航系統的短報文服務是開放式結構，存在著被敵方欺騙和利用的可能性。從理論上來講，一臺用戶設備可以向其他所有終端用戶設備發送短報文指令，用戶之間收發短報文時，無法迅速準確地識別對方身份。

在針對衛星導航系統的密碼戰中，一旦具有短報文功能的終端用戶設備被敵方俘獲，由于身份識別僅依賴于發送方的聲明，被俘設備有很大可能被敵方利用，發送虛假信息實施戰術欺騙。尤其在高烈度的現代戰爭中，作戰進程快，作戰單元多，作戰區域廣，利用衛星導航系統的短報文功能實施欺騙具有很強的危害性。

對此，可以從以下兩方面加強衛星導航系統的機要密碼管理。一方面是根據終端用戶設備配屬對象不同，建立唯一的身份識別碼。將用戶身份識別碼的序號按照編制序列、指揮層級加以區分，確保各個用戶在收到短報文時，能較為明確清晰地了解發件人的身份信息，從而保證了作戰文書、指令傳遞的準確性和真實性。另一方面，可以采取機要密碼傳輸的常用方式，對部分短報文內容進行多層加密。戰時，一旦傳統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合的方式，對短報文內容進行二次加密或多次加密，再通過衛星導航系統進行播發。即使敵方俘獲衛星導航用戶設備或截獲短報文內容，由于缺失公鑰和私鑰，既無法發送欺騙信息，也無法讀取真實信息，從而保證了戰時衛星導航系統的使用安全。

4 結語

三軍之事，莫重于密。在新軍事變革不斷深入的今天，圍繞衛星導航軍事密碼運用與對抗的密碼戰研究進一步發展。對此，應當積極運用衛星導航系統欺騙技術，改進衛星導航系統反欺騙技術，采取衛星導航系統抗欺騙干擾措施，加強衛星導航系統的機要密碼管理工作，搶占信息化戰爭的“制導航權”，堅決打贏衛星導航領域的“密碼戰”。

引用

[1]劉飄.土地革命戰爭時期紅軍無線電通訊工作研究[D].成都:電子科技大學,2021.

[2]張繼永.海上聯合作戰密碼應用技術研究[J].數字技術與應用,2016(7):189.

[3]劉科,何磊.GNSS欺騙與抗欺騙技術研究進展[J].江蘇海洋大學學報(自然科學版),2020,29(4):77-85.

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

[5]高揚駿,呂志偉,周朋進,等.衛星導航欺騙式干擾技術現狀及展望[J].測繪與空間地理信息,2019,42(10):116-120.

[6]張倫東,張超,高揚駿.衛星導航欺騙及檢測(二):基于接收機改進的欺騙檢測[J].導航定位學報,2021,9(4):1-10.

[7]王君,郭妍,唐康華,等.衛星導航欺騙式干擾技術發展趨勢綜述[J].導航與控制,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,王國棟,等.北斗衛星導航欺騙與抗欺騙技術現狀探討[J].導航與控制,2021,20(4):24-32+23.