衛星導航欺騙干擾信號檢測技術綜述

張鑫

(中國人民解放軍92728部隊,上海 200436)

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)是一種可以為運載體航行提供連續、安全和可靠的高精度定位、測速和定時服務的系統,具有覆蓋廣、全天候、高精度等特點.其基本原理是利用空間導航衛星向地球表面發射經過編碼和調制的、含有信號發射時間及衛星位置等信息的無線電信號,各種衛星導航接收終端(衛星導航接收機)接收該類無線電信號并測得信號在空間傳播的時延,同時解調出各種導航信息,最后進行導航定位解算得到用戶的位置、速度、時間(PVT)結果[1].

隨著衛星導航定位技術的發展,其應用已逐步從軍用擴展到民用,滲透至國民經濟各部門,在軍用航空、精確制導武器等軍用領域以及民航、電信、金融、電力、城市交通和鐵路運輸等國民經濟領域得到了廣泛應用[2].鑒于衛星導航系統對國家安全和經濟發展的重要意義,世界各主要大國都在爭相發展和完善衛星導航系統,其中包括最早建設的美國全球定位系統 (GPS),俄羅斯的全球導航衛星系統[3](GLONASS),歐盟國家的Galileo系統[4-5]以及我國正在積極建設的北斗衛星導航系統(簡稱為北斗系統)[6].

當前衛星導航系統的用戶數量不斷增加,出現了各類高精度測量型接收終端、GNSS授時型接收終端、GNSS多系統互操作信號接收終端、GNSS/INS深耦合高動態導航接收終端、彈載接收終端、高靈敏度接收終端等.衛星導航接收終端的功能、性能不斷提升,應用領域不斷拓展.然而,當各種衛星導航接收終端完全信任所接收到的導航衛星信號時,若空間中存在與真實信號相比難以區分的欺騙干擾信號,將可能導致接收終端得出錯誤的定時、定位信息,在嚴重的情況下癱瘓社會關鍵基礎設施,甚至在軍事應用中改變導航載體的運動軌跡[7].因此,防止己方衛星導航接收終端受欺騙干擾攻擊產生錯誤定時、定位信息的抗欺騙技術,是近年來GNSS領域的一大研究熱點,而相應的欺騙干擾信號檢測技術作為衛星導航抗欺騙干擾的關鍵技術,也成為了十分重要的研究內容.

本文介紹了當前導航戰背景下的衛星導航欺騙干擾技術,說明了抗欺騙干擾技術研究的必要性和緊迫性,進而綜合對比分析了國內外主要欺騙干擾信號檢測技術的研究現狀,并對欺騙干擾檢測技術研究的趨勢和發展方向進行了總結展望.

1 導航戰背景下的衛星導航欺騙干擾

所謂衛星導航欺騙干擾,是指發射與導航衛星相同或相似、然而功率更強一些的信號, 衛星導航系統用戶的接收終端可能把這種信號誤認為是由真實導航衛星發來的,而對其進行捕獲與跟蹤,導致衛星導航接收終端產生錯誤的信息或者無信息輸出[2].如圖1所示,衛星導航欺騙干擾可以導致接收機不能檢測到自己被干擾,產生錯誤的定位結果,其攻擊方式非常隱蔽[8].同時,相對于傳統的以功率覆蓋為主的非相干干擾,衛星導航欺騙干擾具有設備規模小以及干擾效率高等優勢[9].

隨著電子技術的發展,欺騙干擾將逐漸成為衛星導航系統的重要威脅.并且,由于衛星導航系統的應用已深入到社會生活及軍事應用的各個方面,衛星導航接收終端因接收到虛假信號而得出錯誤定時、定位結果將可能導致災難性后果.尤其在未來導航戰背景下,面對敵方有針對性施放的欺騙干擾信號,若沒有有效的抗欺騙干擾技術,必將極大限制己方對衛星導航系統的應用,并帶來戰斗力和人員裝備的損失.

圖2所示為2011年12月4日伊朗防空部隊在該國東部邊境利用欺騙干擾技術俘獲的一架美國“RQ-170”無人偵察機[10].可見,通過欺騙干擾手段,攻擊方可在消耗敵方武裝力量的同時,完整保留敵方裝備狀態,用于提升自身的軍事技術水平.這一危害某種意義上遠大于以往各種電磁干擾手段.該事件是欺騙干擾技術第一次在實戰之中成功應用,極大地推動了各國對衛星導航安全技術的研究.

圖3所示為2012年6月美國國防部組織的對無人直升機GPS接收終端欺騙干擾實驗及其相關報道.該實驗中德州大學的Todd Humphreys團隊使用硬件成本不到1000美元的民用GPS信號欺騙干擾設備釋放欺騙信號,使得本應控制保持固定高度的無人直升機自動駕駛系統不斷控制直升機下降高度[11].

以上的案例說明,欺騙干擾不再只是理論層面的安全隱患,已經成為了衛星導航系統面臨的主要現實威脅之一.正如無線電導航安全專家David Last教授在2010年2月于英國倫敦舉行的全球衛星導航安全會議上指出:“導航應該不只是關注精度的時代了,而應更關注可靠、安全和魯棒性”[12].

由此可見,衛星導航信號抗欺騙技術是當前導航戰背景下的必然選擇.目前,美軍已將衛星導航欺騙與抗欺騙技術擺在了極為重要的位置,相應的在導航信號體制加密認證、多傳感器信息融合、多接收機信息交換、接收機天線陣以及信號處理等多個領域均有相關欺騙信號檢測技術公開發表.對于我國已經投入使用的北斗系統而言,同樣面臨欺騙干擾的挑戰,因此必須盡快大力開展相關技術的研究.

2 衛星導航欺騙干擾信號檢測技術分析比較

1995年 Key[13]在MITRE公司的內部備忘錄中對欺騙干擾及抗欺騙干擾技術的細節進行了分析,給出了如下可能的衛星導航欺騙干擾檢測技術方法:

1)信號幅度檢測;

2)信號到達角檢測;

3)信號到達時間檢測;

4)與其他導航設備間的一致性校驗;

5)信號加密認證;

6)信號極化方向檢測.

此后,雖然有其他學者對欺騙干擾檢測技術方法進行了其他總結劃分[14-15],但本質上目前國內外學者對欺騙干擾檢測的研究主要都是圍繞除信號極化方向檢測外的其他5個方面進行的.

2.1 信號幅度檢測

信號幅度檢測方法目前的主要研究思路是通過檢測衛星導航欺騙干擾存在時信號絕對功率、載噪比、載體運動造成的功率變化,以及加密與非加密頻點信號功率的異常,從而判斷是否受到欺騙干擾攻擊,其主要研究成果是由Dehghanian[16-17]、Jafarnia-Jahromi[18]和Akos[19]等完成.

信號幅度檢測方法在實現上通常不需要對衛星導航接收機硬件進行改動,因此實現成本較低,實現難度較小.但由于真實衛星導航信號本身的功率也可能隨環境變化,因此其檢測效果一般,也難以適應不同欺騙干擾場景的要求.

2.2 信號到達角檢測

受當前技術條件的限制,衛星導航欺騙干擾源大都采用單一天線發射欺騙信號[20-21].因此,不同路欺騙干擾信號到達接收機天線的方向角完全一致,而不同真實導航衛星的實際信號到達接收機天線的方向角不會完全相同.利用欺騙干擾信號與真實導航衛星信號的這一空間特性,進行欺騙干擾信號的到達角檢測,是一種非常有效的方法.

針對這一方法,國外學者Montgomery等[22]利用兩副天線的載波相位差測量值進行了欺騙干擾檢測, McDowell給出了一種多天線空域抗欺騙干擾接收機的架構[23], Nielsen等[24-25]則研究了如何利用單天線接收機移動構成的合成孔徑天線陣進行欺騙干擾檢測.但這些研究多停留在相關檢測方法的原理層面,對檢測方法的具體算法和檢測性能分析方法缺乏詳細論述.為此,國內學者黃龍[9]、張鑫[26]等進行了更深入的研究,提出了基于載波相位雙差的天線陣及特定場景下合成孔徑天線陣的檢測算法,并對檢測性能進行了分析.分析表明,采用天線陣或合成孔徑天線陣進行單天線發射欺騙干擾信號的到達角的檢測,具有較好的檢測性能,能夠適應不同的欺騙干擾場景,其缺點是增加了天線陣元或伺服控制機構,提高了系統硬件成本.

2.3 信號到達時間檢測

信號到達時間檢測欺騙干擾信號的方法,本質上是利用欺騙干擾信號與真實信號在傳輸時延上的差異進行欺騙信號檢測.文獻[20]中介紹了相關的研究思路.對于利用相關器輸出分布特性[27]和信號質量監測[28-29]等手段進行的欺騙干擾檢測方法,本質上也是利用了欺騙信號到達時間與正常信號的差異導致的相關峰異常,因此也可認為是一種信號到達時間檢測,只是其檢測原理深入到了接收機的相關延時測量過程中.

利用信號到達時間進行衛星導航欺騙干擾檢測,通常對固定位置接收機等有一定效果,但對于動態場景其適應性有待分析和提高.

2.4 與其他導航設備間一致性校驗

由于天文導航和慣性導航等導航系統能夠自主工作而不受外部電磁信號干擾,因此當衛星導航接收機與這些設備間輸出結果和信息的一致性存在差異時,可以有效實現對欺騙干擾信號的檢測[1，20,30-35],并且不受干擾源是否為單天線欺騙干擾信號的限制和運動狀態限制,具有很高的欺騙場景適應性.

但與其他導航設備間一致性校驗方法也存在成本較高和設備本身可靠性保障的問題,難以在低成本的應用中進行推廣使用.

2.5 信號加密認證

文獻[36]和文獻[37-38]分別從導航電文信息層和擴頻信號層驗證了采用衛星導航信號加密認證機制進行欺騙干擾檢測的有效性,Wesson,Kerns和Kuhn等則在具體實現上進行了研究[15].

研究表明,導航電文和擴頻碼加密認證技術能夠有效檢測和抵御衛星導航欺騙干擾攻擊,但其需要由國家層面對整個衛星導航信號體制進行更改,實施難度較大.

2.6 目前主要欺騙干擾監測方法比較分析

Jafarnia-Jahromi[20]在2012年對當時主要的欺騙干擾檢測方法及各方法的性能和特點進行了總結分析,在此基礎上結合近年來國內外學者的研究成果,給出了表1所示的目前主要衛星導航欺騙干擾檢測方法比較.

表1 目前主要的欺騙干擾檢測方法比較

由表1可見,檢測性能較高且對欺騙場景適應性較強的衛星導航欺騙干擾檢測方法,主要包括天線陣檢測方法、合成孔徑天線陣檢測方法、與其他導航設備間的一致性校驗方法和加密認證體制方法.

然而,加密認證體制方法大多數情況下要求修改衛星導航信號的信號結構,這在短期內限制了其實際應用能力.與其他導航設備間的一致性校驗方法則需要增加其他種類的導航傳感器,使得系統的軟硬件實現更為復雜.因此,雖然這兩類高性能欺騙干擾檢測方法原理簡單,但實現成本都較為高昂,使用范圍較為有限.

天線陣檢測方法作為目前較為實用可行的欺騙干擾檢測技術,需要增加衛星導航接收機的天線個數和一定的硬件復雜度.但對于很多抗干擾接收機,其本身就具有天線陣設計,因此只需要將相應檢測算法應用到接收機中.

合成孔徑天線陣檢測方法,利用了單天線或雙天線運動進行欺騙干擾檢測.在較為合理的運動狀態設計下,能夠實現算法復雜度較低的欺騙干擾檢測方法[39],并減少或消除對天線運動隨機性的要求[9].

3 結束語

隨著欺騙干擾技術的發展和工程化,衛星導航抗欺騙干擾技術的發展也日益迫切.欺騙干擾檢測技術是衛星導航接收機實施欺騙干擾抑制、防止產生錯誤定位和測速、定時信息的前提.目前國內外對欺騙干擾檢測技術的研究都在日益深入,但國內的研究總體上看還需要在系統性和擴展性上加強.具體來看主要在以下幾個方面有待更深入的研究:

1)對多方向入射欺騙干擾信號的檢測技術研究有待加強.目前研究的欺騙干擾檢測技術大部分都是基于單個欺騙干擾信號發射天線假設的,這在一定時期內是合理的,但隨著技術的進步,多方向發射欺騙干擾信號的攻擊手段將會日趨成熟,且國內已有初步相關研究成果發表[40],因此對相關檢測技術的研究也需要及時加強;

2)對欺騙干擾檢測技術的組合手段研究尚待深入.以作戰艦艇、車輛和飛機等高價值目標為例,其通常同時具備天文、慣性和天線陣抗干擾衛星導航系統,因此將一致性檢測與天線陣檢測技術組合進行更為有效和魯棒的欺騙干擾檢測是非常有價值的研究方向,文獻[41-42]在該方向進行了有益的探索.對于其他檢測技術的組合,同樣值得進一步探討,如文獻[43]利用機器學習的方法,將到達時間和信號能量等作為輸入特性來進行欺騙干擾的檢測;

3)欺騙干擾檢測技術的測試評估手段研究亟待加強.由于欺騙干擾場景的復雜多樣性,對于每種干擾條件下的欺騙信號檢測效果進行實際驗證缺乏可行性.因此,發展能夠根據設定場景重復和有效產生接收機需要的真實與欺騙干擾信號,從而對相關欺騙干擾檢測算法進行測試評估的手段,具有十分重大的意義.目前相關研究還處在起步階段[26，44],后續研究有待深入.