民航GPS惡意干擾檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應用

摘 要：隨著空間定位技術不斷進步，GPS（Global Positioning System）定位技術民航領域應用越來越廣，GPS干擾將直接影響民航飛行安全。為了快速、準確地檢測GPS干擾，提升保障能力，本文通過分析定位技術以及GPS干擾的特性，設計了多（單）GPS節(jié)點以及移動網絡3種環(huán)境下的干擾排查算法。利用排查算法采用Android系統(tǒng)的手機作為平臺，開發(fā)一套可運行于手機的民航GPS惡意干擾檢測系統(tǒng)，并在實際應用過程中取得了良好的效果，降低了檢測成本。

關鍵詞：GPS；惡意干擾；移動定位；防欺騙

中圖分類號：P 258" " " " " 文獻標志碼：A

根據技術實現方法可以將GPS惡意干擾方式分為壓制性干擾以及欺騙性干擾[1]。壓制性干擾是通過全（定）向天線配合大功率干擾發(fā)射機來實現對某個區(qū)域或者特定方向的衛(wèi)星信號屏蔽，使GPS接收機的工作性能降低或完全喪失；欺騙干擾是利用專業(yè)的信號發(fā)生設備，產生虛假衛(wèi)星信號欺騙對方的導航接收機，使其定位功能發(fā)生錯誤。相對壓制干擾信號，欺騙信號更具威脅性，更難被察覺，同時存在危害性，甚至可以通過控制欺騙信號來控制他方飛行器[2]。

1 定位技術

定位技術主要是指某個特定坐標系中，通過技術手段、科學運算獲得待測具體位置的過程。定位可以通過多種介質實現，例如紅外線、超聲波和無線電波等，隨著移動通信技術的發(fā)展，無線電定位技術成為在民用領域應用最廣的定位方法。在眾多的定位方法（紅外線、超聲波Ｗ及無線電等）中，應用最廣泛的是無線電定位[3]，以下2種最典型：1）星基無線電定位。依托多衛(wèi)星數據計算并測定物體位置（例如GPS）的方式。2）陸基無線電定位。在建立地面基站的基礎上測量接收電波參數計算獲得物體位置的（例如蜂窩網絡定位與無線電導航定位）。

1.1 GPS定位技術

目前，GPS定位技術只通過衛(wèi)星信號就可以完成定位，當捕獲4顆衛(wèi)星信號時就可以完成準確的定位工作，其衛(wèi)星基站主要由美國控制并對全球免費開放使用。GPS定位主要包括單點定位與相位定位2種方式。其中，相位定位主要采用偽距或測量者相位測量，獲得的精度相對較高，主要用于對精度要求比較高的領域，例如工程測量等。單點定位采用TOA（Time of Arrival）位法，主要通過偽距來測定地面接收機與衛(wèi)星之間的距離。用戶以接收機接到衛(wèi)星信號的時間延時或者信號相位差為參數，計算接收機與衛(wèi)星之間的相對距離。再根據接收機與衛(wèi)星設備之間的種差，結合衛(wèi)星的三維坐標，采用三維坐標系中距離公式列出方程（1）。

（1）

式中：Pn為衛(wèi)星的偽距；xn、yn、zn為衛(wèi)星的三維坐標；?t為接收機與衛(wèi)星之間的鐘差；x、y、z為待測衛(wèi)星的坐標；c為光速；求解以上方程就可以得到接收機位置信息。

在通常情況下接收機可以鎖住4顆及以上的衛(wèi)星，因此可以將每4顆衛(wèi)星分為1組，通過計算得到篩選出差最小的一組衛(wèi)星作為計算因子，以達到進一步提高精度的要求。

1.2 移動網絡定位技術

移動網絡定位技術主要是依托移動基站來實現對移動終端無線電波位置的定位技術。其位置信息包括但不限于移動終端的坐標、高度以及移動速度等，其定位精度依賴于移動基站的性能，對移動終端性能沒有要求。通常用于有移動網絡信號覆蓋區(qū)的定位需求，有定位速度快、定位精度高等優(yōu)點[4]。

移動網絡定位能夠彌補GPS定位的缺陷，當某些特殊場景下當無法接到GPS信號時，移動網絡定位仍能正常工作。GPS工作頻率主要集中在L1波段（1575.42±1.023）MHz、L2波段（1227.60±1.023）MHz、L5波段（1176.45±1.023）MHz 3個頻段。移動蜂窩網絡工作頻率主要集中在800 MHz以及900 MHz頻段，與GPS處于不同工作頻段降低了同時受擾的可能性[5]。

2 GPS欺騙干擾特性

隨著導航技術不斷革新，在民航領域GPS定位技術已經廣泛深入民用航空的各領域。2023年，由于衛(wèi)星導航信號的脆弱性導致其易受到惡意干擾，如何識快速、準確、經濟地識別欺騙干擾，對保障民航飛行安全有重大的意義。

2.1 轉發(fā)式欺騙

在實際應用場景中對于軍碼信號以及其他專用導航信號大多采用轉發(fā)式欺騙干擾，轉發(fā)式欺騙干擾也是現階段被使用最廣泛的欺騙方法。轉發(fā)式欺騙原理如公式（2）所示。

（2）

式中：xn、yn、zn為目標坐標；在系統(tǒng)內將接收的信號傳輸至發(fā)射機，此過程中信號延時為t1；發(fā)射機自身延時為t2；發(fā)射機至目標基站的延時為t3；xm、ym、zm為接收衛(wèi)星的坐標；Pn為衛(wèi)星的偽距；?t為目標接收機與衛(wèi)星之間的鐘差；c為光速。

2.2 生成式欺騙

生成式欺騙干擾的本質是通過架設欺騙信號發(fā)生裝置，通過模擬真的位置信息、衛(wèi)星位置信息，并計算接收衛(wèi)星信號的碼信息以及載波，生成欺騙信號，最終由欺騙天線將偽信號發(fā)射出去，達到對欺騙信號發(fā)射覆蓋范圍內的接收機的欺騙目的，如公式（3）所示。

（3）

式中：xn、yn、zn為目標坐標；?tn為目標接收機與衛(wèi)星之間的鐘差；c為光速；欺騙天線模擬坐標為xα、yα、zα；Pα衛(wèi)星的偽距；tα偏移量；從而使受欺騙接收機獲得錯誤的位置信息。

2.3 欺騙特征

在某開闊場地隨機選取相隔100m內，3個點作為試驗點并記錄試驗點真實的坐標數據。在試驗點上分別放置3個接收機，并將欺騙源設置好固定延時，開啟欺騙源，記錄3個接收機的偽位置信息歸納欺騙結果。

2.3.1 轉發(fā)式欺騙

在多次調整衛(wèi)星延時參數后根據試驗獲得的數據配合MATLAB數據分析工具，對數值計算的結果進行統(tǒng)計并記錄分布。當未打開干擾時，可以觀察到接收機的定位結果均落在實際位置附近僅存在誤差。當打開干擾時（如圖1所示），可以觀察到當衛(wèi)星信號的延時一定時，接收機的定位結果均落在干擾源周圍，由于鐘差誤差導致了偽距誤差，因此定位結果在原點位置（干擾源位置）成誤差分布。由此可以通過數值計算得出以下結論：當衛(wèi)星信號延時一定時，在欺騙影響區(qū)域內，接收機在任何點的定位結果（不考慮偽距誤差）均為干擾源接收天線位置。

2.3.2 生成式欺騙

當生成源的延時一定時，從數值計算的統(tǒng)計結果可以發(fā)現：當未打開干擾時，接收機的定位結果均落在實際位置附近；當干擾源打開時，接收機的定位結果均落在生成源周圍，由于鐘差誤差導致了偽距誤差，因此定位結果在原點位置（生成源位置）成誤差分布。可以通過數值計算得出以下結論：當生成源參數一定時，在欺騙影響區(qū)域內，接收機在任何點的定位結果（不考慮偽距誤差）均為生成源接收天線位置。

從第三章的結果可以看出，無論處于干擾區(qū)的任何位置，接收機所得到的定位結果都是一致的，所以只要在干擾區(qū)內保持間隔布置1個以上觀察點，如果這些觀察點的定位結果一致，那么這些觀測點的導航數據必然來自欺騙信號。

3 欺騙干擾檢測算法模型

通過試驗以及數值計算，已經基本掌握了欺騙干擾的特征，需要進一步從技術上消除系統(tǒng)誤差以及測量誤差，才能確定可靠的欺騙干擾檢測方法。在試驗過程中發(fā)現，接收機的定位結果均落在一個范圍內，并不符合理論結果，所以需要得到一個閾值來進一步提高檢測的準確性與可靠性。

3.1 多節(jié)點的檢測算法模型

采用多節(jié)點模型的檢測方法實現欺騙干擾檢測，主要是通過多個接收機在不同位置的同一時刻得到的位置信息來判斷接收機所處范圍是否存在欺騙干擾的方法。以2個接收機為例，可以將2個接收機至于某個范圍內的不同位置，通過可靠的測量手段測定2個接收機的位置，計算2個接收機之間的位置矢量差，確定閾值范圍。采用公式（1）計算。

r=P（a）-P（b），R=r+l" " " " （1）

式中：P（a）、P（b）分別為接收機位置；r為接收機位置矢量差；l為平均偏差；R為閾值半徑。當定位位置偏出閾值時，可確定為被干擾。

3.2 單節(jié)點的檢測算法模型

單節(jié)點模型檢測方法主要是利用多普勒測速原理，在只有單個接收機并且接收機有一定相對運動的情況下檢測某一區(qū)域內是否存在干擾的方法。現在大多數GPS接收中（例如手機），都可以在接收GPS信號的同時對信號衛(wèi)星的多普勒頻率數據進行處理，并獲得接收機的相對速度。在前期試驗的基礎上，從試驗的數據結果、數值計算、落點分布和算法測算等方面分析了多普勒單節(jié)點檢測欺騙干擾的方法可行性以及準確性。如圖2所示，發(fā)現在欺騙影響區(qū)內且當接收機接收并處理欺騙信號時，不論接收機與欺騙源的相對位置是否發(fā)生改變，其接收機在通過多普勒測速時所算得速度矢量，始終與欺騙所計算的速度矢量保持一致。由此可知，當發(fā)現接收機速度與當前慣性速度不一致時，即V=Vn（V為初始速度，Vn為移動時速度）時，接收機所處區(qū)域為欺騙干擾區(qū)域。

3.3 移動網絡輔助檢測方法

移動網絡定位的基本思想就是利用移動端（手機）接收來自3個及以上的基站信號，然后根據其中所包括的與移動終端位置相關的信息獲得二者的位置關系，最后根據相關定位算法對移動終端進行定位的方法。在試驗過程中發(fā)現，在欺騙干擾區(qū)域內，使用移動終端（手機）定位能快速、準確地定位到移動終端的具體位置，在去除誤差后與接收機的定位結果存在明顯差異，所以筆者認為當接收機定位結果與移動終端定位結果滿足Pngt;P+γ時（其中，Pn為某時刻GPS測量位置，P為移動網絡定位位置，γ為偏差常量），可斷定接收機位于欺騙干擾區(qū)內。

4 民航GPS惡意干擾檢測系統(tǒng)設計

隨著移動通信技術的不斷發(fā)展，GPS定位技術已經廣泛應用于手機App中，例如導航、測量和旅游等，采用手機作為民航GPS惡意干擾預警系統(tǒng)（后稱預警系統(tǒng)）的硬件平臺方便快捷實用。系統(tǒng)采用搭載GPS芯片的Android操作系統(tǒng)手機作為開發(fā)硬件平臺，來完成多（單）節(jié)點以及移動網絡輔助的GPS欺騙干擾檢測本系統(tǒng)。

4.1 開發(fā)環(huán)境與關鍵技術

本系統(tǒng)開發(fā)平臺選擇Eclipse平臺，此平臺是Android操作系統(tǒng)手機應用開發(fā)的被使用的最廣泛平臺，具有的模塊化、易上手以及開放性強的特點。系統(tǒng)開發(fā)主要采用Java語言完成編寫，JDK 提供了Java運行環(huán)境中需要的整個開發(fā)工具和基礎類庫。

4.2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)主要包括3個主要功能模塊，分別為GPS定位模塊、移動網絡定位模塊以及惡意干擾檢測模塊，功能說明如下。

4.2.1 GPS定位模塊

通過手機自帶GPS接收模塊獲得手機所處位置GPS位置，并顯示在手機屏幕上。

4.2.2 移動網絡定位模塊

通過手機移動信號定位手機所處位置信息，并顯示在手機屏幕上。

4.2.3 惡意干擾檢測模塊

輸入1個附近GPS定位數據，通過本機接收的GPS位置以及移動定位位置，進行多點、單點以及移動定位輔助3個方法確定當前位置的干擾情況。

5 結語

隨著導航技術發(fā)展，民航飛行安全對GPS以及類似衛(wèi)星導航技術的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性的依賴日益增強。作為民航安全運行的參與者，必須未雨綢繆提前規(guī)劃，本文提出的單點、多點以及移動定位技術輔助的干擾檢測方法，可以在一定程度上實現目前GPS干擾欺騙的預警以及檢測功能，方面快捷實用性強，為以后衛(wèi)星導航技術干擾排查奠定了基礎。

參考文獻

[1]曾祥華.衛(wèi)星導航定位接收機頻域抗干擾技術研究[D]. 長沙：國防科技大學，2004.

[2]耿正霖，聶俊偉，王飛雪，等.GNSS 抗欺騙干擾技術研究[J].全球定位系統(tǒng)，2013，38（4）：65-70.

[3]田孝華，周義建.無線電定位理論與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[4]Mouly M.GSM數字移動通信基礎[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995.

[5]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2005.