北斗衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀探討

劉清秀，程 玉，王國棟，馬永犇，陳 帥

(1.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

從1991年的海灣戰(zhàn)爭到后來的科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭，衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)武器的權(quán)重越來越高，分別達(dá)到了7.7%、30%、60%、90%和 100%[1]。然而伊朗事件后，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)充分暴露了其信號(hào)弱、極易受到干擾的特性。蓄意的人為干擾中，欺騙干擾最為隱秘，其安全隱患最大，造成的損失也不可估計(jì)。

2020年，我國獨(dú)立自主運(yùn)行控制的國家時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施(北斗導(dǎo)航系統(tǒng))正式建成并投入運(yùn)行，在空中、海上和地面運(yùn)輸、警察和救援服務(wù)、金融授時(shí)、移動(dòng)電話定位以及跟蹤犯罪者領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。為了打破我國基礎(chǔ)設(shè)施或武器系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡體系，這種廣泛使用的系統(tǒng)正成為恐怖分子和敵對方越來越有吸引力的干擾目標(biāo)。目前，國家有關(guān)部門已將北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展列入國家“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，在北斗賦能智慧城市建設(shè)、人民美好生活觸手可及的時(shí)代，我們要積極強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施的安全屏障能力。

國外研究欺騙與抗欺騙技術(shù)應(yīng)用開展時(shí)間較早，典型國家以美國和俄羅斯為主。美國針對不同武器裝備對GPS終端設(shè)備的不同應(yīng)用場合進(jìn)行針對性抗干擾能力設(shè)計(jì)，形成了種類繁多的GPS抗干擾設(shè)備，有效增強(qiáng)了國防武器的精準(zhǔn)打擊能力和抗打擊能力。俄羅斯對欺騙技術(shù)研究起步較早，早在伊拉克戰(zhàn)爭中就向伊軍提供了GPS干擾機(jī)，在其他一些戰(zhàn)爭中也出現(xiàn)過俄羅斯提供干擾機(jī)的影子，這有效保護(hù)了重要戰(zhàn)略設(shè)施和軍事目標(biāo)[2]。中國學(xué)者也相繼在欺騙干擾怎么影響接收機(jī)的基礎(chǔ)上開展了抗欺騙技術(shù)的研究，為構(gòu)建安全的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航體系夜以繼日地工作。本文針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)易受欺騙的脆弱性，總結(jié)了當(dāng)前欺騙技術(shù)與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀并展望未來，希望能為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)防御體系奉獻(xiàn)綿薄之力。

1 欺騙技術(shù)

欺騙技術(shù)是指：產(chǎn)生和真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)相似的虛假信號(hào)，在目標(biāo)接收機(jī)接收信號(hào)的過程中和真實(shí)信號(hào)一同混入被接收機(jī)處理，欺騙設(shè)備以靈活的欺騙算法實(shí)現(xiàn)了以假亂真的干擾效果。因?yàn)槠垓_信號(hào)本身的信號(hào)特點(diǎn)使得它隱蔽性極高，不易被傳統(tǒng)的接收機(jī)發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]為了說明GPS信號(hào)實(shí)際上有多弱，和燈泡進(jìn)行了類比：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的100W燈泡比接收器天線處的GPS衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)1018倍，可見衛(wèi)星信號(hào)的微弱程度。GPS接收器天線所需的干擾功率無需很強(qiáng)即可有效，同理也是北斗衛(wèi)星的固有特性。欺騙干擾又分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾、生成式欺騙干擾和兩者的混合式干擾。Jafarnia-Jahromi等[2]對生成式欺騙技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的難易程度又分為初級、中級和高級欺騙技術(shù)。而文獻(xiàn)[4]根據(jù)欺騙信號(hào)是否順利被GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路鎖定而不會(huì)失鎖，將欺騙技術(shù)分為軟欺騙和硬欺騙，并提出了一種自適應(yīng)GPS欺騙技術(shù)，用于管控黑飛無人機(jī)。文獻(xiàn)[5]提到了一種完全抑制真實(shí)信號(hào)的技術(shù)，只要產(chǎn)生在目標(biāo)接收天線相位中心處和真實(shí)信號(hào)幅度相反、相位相同的欺騙信號(hào)，且欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)載波相位差不超過18°就可以抑制真實(shí)信號(hào)。針對欺騙生成器價(jià)格昂貴且難復(fù)現(xiàn)，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于矢量跟蹤的軟件接收機(jī)欺騙生成器，具有可編程性和多樣性。綜上所述，盡管各種欺騙技術(shù)的實(shí)現(xiàn)算法和方式不一樣，但要實(shí)現(xiàn)的目的大同小異，可以歸納成以下幾種典型欺騙形式。

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙技術(shù)

顧名思義，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙手段就是通過轉(zhuǎn)發(fā)的形式傳播干擾信號(hào)。欺騙原理為：欺騙設(shè)備接收真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r(shí)延和功率放大后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，被目標(biāo)接收機(jī)接收到，達(dá)到干擾目標(biāo)接收機(jī)授時(shí)、定位和導(dǎo)航的目的，具體如圖1所示。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾欺騙手段相對簡單，應(yīng)用場景較多，它的信號(hào)特征相對好提取，時(shí)延就是它的固有屬性，因此容易被識(shí)別，它在捕獲通道的特征是產(chǎn)生一前一后兩個(gè)峰值。傳統(tǒng)接收機(jī)大多采用線性搜索算法，為了節(jié)約捕獲時(shí)間和系統(tǒng)資源，在捕獲超過閾值后即進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，不會(huì)再往下搜索，導(dǎo)致誤捕率較高，但對有延時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)理論有效。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾示意圖Fig.1 Schematic diagram of forwarding deception jamming

1.2 生成式欺騙技術(shù)

(1)初級欺騙技術(shù)

初級欺騙干擾設(shè)備產(chǎn)生的欺騙信號(hào)較簡單，類似于噪聲。因?yàn)樗恍枰邮照鎸?shí)信號(hào)，也不需要考慮信號(hào)同步的問題，只要其功率大于真實(shí)信號(hào)，就可以影響接收機(jī)的捕獲性能或?qū)е赂櫗h(huán)路失鎖，在重新捕獲階段捕獲到欺騙信號(hào)達(dá)到欺騙的目的，可將其稱為衛(wèi)星信號(hào)模擬器的欺騙技術(shù)。模擬器產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)，通過轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)出去即可實(shí)現(xiàn)。2003年，瓦爾納教授就利用GPS信號(hào)模擬器成功誘騙了經(jīng)過隧道的目標(biāo)卡車[7]。

(2)中級欺騙技術(shù)

中級欺騙技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較初級欺騙要復(fù)雜，它不僅要接收真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，還要使得欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)保持同步。欺騙手段是利用雷達(dá)等外部輔助設(shè)備監(jiān)測到目標(biāo)接收機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時(shí)注入到欺騙設(shè)備，欺騙設(shè)備根據(jù)當(dāng)前自身的位置和雷達(dá)等設(shè)備提供的參數(shù)進(jìn)行自身的參數(shù)馴服，等達(dá)到穩(wěn)定時(shí)刻發(fā)出誘騙信號(hào)，借助信號(hào)功率較強(qiáng)的優(yōu)勢，一般會(huì)順利切入環(huán)路，掌控環(huán)路主動(dòng)權(quán)，后以一定的速度參數(shù)按一定方向逐漸剝離真實(shí)信號(hào)參數(shù)，使得目標(biāo)接收機(jī)被誘騙，具體如圖2所示。這種欺騙手段很難被發(fā)現(xiàn)，但精確知道目標(biāo)接收機(jī)的三維位置和速度，且不引起接收機(jī)較大波動(dòng)并不容易，涉及到較復(fù)雜的模型，如圖3所示的欺騙信號(hào)切入環(huán)路到剝離的過程。目前，存在的欺騙設(shè)備多數(shù)采用單天線中級欺騙技術(shù)，即輸出結(jié)果沒有明顯異樣的無感欺騙，但通道內(nèi)部是以毫秒(ms)為單位進(jìn)行運(yùn)算，可以敏感感知信號(hào)的變化，利用這些變化可以做欺騙信號(hào)的檢測，因此無感欺騙技術(shù)還在路上。

圖2 生成式欺騙干擾示意圖Fig.2 Schematic diagram of generative deception jamming

圖3 中級欺騙示意圖Fig.3 Schematic diagram of intermediate deception

(3)高級欺騙技術(shù)

高級欺騙技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜、最有效的欺騙手段，它利用多個(gè)協(xié)同欺騙設(shè)備搭建真實(shí)的衛(wèi)星分布環(huán)境，對陣列天線接收機(jī)實(shí)施有效的欺騙。但這種類型的欺騙有效范圍要有限得多，原因是載波相位對齊和陣列流形同步可能僅在目標(biāo)接收機(jī)天線所在的非常小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。此外，相對于目標(biāo)接收機(jī)天線的欺騙天線放置有一些物理限制。因此，由于目標(biāo)接收機(jī)天線的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種類型的欺騙非常困難并且在許多情況下是不可能的。所以，高級欺騙技術(shù)目前還只在理論基礎(chǔ)層面，如果被工程實(shí)現(xiàn)，將會(huì)成為未來最重要的干擾模式，特別是可為軍事領(lǐng)域提供堅(jiān)韌的防護(hù)盾，保護(hù)重要軍事基地和高級領(lǐng)導(dǎo)人等，這將是未來欺騙技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

1.3 欺騙效果分析

如表1所示，對各類欺騙方式的欺騙效果、實(shí)現(xiàn)難度、欺騙范圍等方面進(jìn)行比對，針對不同的欺騙技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)的難易導(dǎo)致其成本上的不同，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度會(huì)對達(dá)到欺騙效果的范圍有所限制，一般實(shí)現(xiàn)上越復(fù)雜的欺騙設(shè)備其欺騙效果越好，越不易被發(fā)現(xiàn)。

表1 欺騙類型對比Table 1 Comparison of deception types

2 抗欺騙技術(shù)

目前，研究的抗欺騙技術(shù)分兩步走，即欺騙信號(hào)的檢測和欺騙信號(hào)的抑制或消除。其中，根據(jù)接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可從信號(hào)體制、陣列天線、信號(hào)處理層和信息處理層進(jìn)行欺騙信號(hào)的檢測和抑制。下面從導(dǎo)航終端設(shè)備信號(hào)處理層的抗欺騙技術(shù)進(jìn)行介紹，信號(hào)處理層又可細(xì)分為捕獲層和跟蹤層，信號(hào)處理圍繞著欺騙信號(hào)和真實(shí)信號(hào)的疊加信號(hào)與真實(shí)信號(hào)不同之處展開。接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of receiver internal structure

2.1 捕獲層

(1)基于三維空間壓縮域的抗欺騙技術(shù)

目標(biāo)接收機(jī)在捕獲階段受欺騙，主要有兩種狀態(tài)：1)在接收機(jī)未開機(jī)前就存在欺騙信號(hào)；2)接收機(jī)正常定位后受到欺騙攻擊。文獻(xiàn)[8]提出第一種狀態(tài)可用殘留信號(hào)防御(Vestigial Signal Defense，VSD)技術(shù)檢測欺騙，第二種則用此文獻(xiàn)提出的三維空間壓縮域技術(shù)。該技術(shù)是針對先壓制后欺騙的欺騙手段提出的，其原理就是：在接收機(jī)失鎖后，根據(jù)失鎖前保存的信息和本地時(shí)鐘的守時(shí)精度壓縮三位搜索的范圍，使得接收機(jī)排除欺騙信號(hào)而快速鎖定真實(shí)信號(hào)。文獻(xiàn)作者分析了該技術(shù)的計(jì)算誤差和抗欺騙效果的關(guān)系，得到其壓制干擾時(shí)間和量測值估計(jì)誤差成正比，真實(shí)信號(hào)檢測概率與抗欺騙效果是一對矛盾關(guān)系和量測值估計(jì)誤差與該技術(shù)有效性成正比的結(jié)論。該方法較簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但對欺騙信號(hào)較為限制，不適用于現(xiàn)在靈活的欺騙手段。

(2)基于斜率的檢測技術(shù)

真實(shí)環(huán)境下，欺騙信號(hào)無法在攻擊開始就對齊真實(shí)信號(hào)，在逐漸對齊的過程中，也會(huì)出現(xiàn)相位偏差。存在兩種狀態(tài)：1)欺騙信號(hào)碼相位和真實(shí)信號(hào)碼相位相差±2的碼片；2)與狀態(tài)1正相反，兩者偽碼偏差在±2碼片之內(nèi)。第一種情況會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相關(guān)峰，這時(shí)通過檢測相關(guān)峰值個(gè)數(shù)識(shí)別是否存在欺騙信號(hào)。第二種情況產(chǎn)生畸形的相關(guān)峰，這時(shí)可以通過檢測相關(guān)峰的斜率情況判斷欺騙信號(hào)是否存在，標(biāo)記被欺騙的通道和衛(wèi)星編號(hào)，如圖5所示。文獻(xiàn)[9]提出了一種斜率檢測技術(shù)，就是針對欺騙信號(hào)影響下接收機(jī)捕獲相關(guān)峰畸形提出的，由于欺騙信號(hào)和多徑信號(hào)相似，會(huì)造成誤判。此文獻(xiàn)又提出了改進(jìn)的斜率檢測技術(shù)，利用Neyman-Pearson準(zhǔn)則來設(shè)定合理的欺騙檢測門限值，實(shí)現(xiàn)了多徑情況下的欺騙檢測，最后得出以下結(jié)論：在無多徑的環(huán)境下，改進(jìn)斜率檢測法在信噪比較低或欺騙信號(hào)放大倍數(shù)較小的情況下欺騙檢測概率相較于傳統(tǒng)斜率檢測法要低，但仍維持檢測概率在96%以上，多徑情況下傳統(tǒng)的斜率檢測技術(shù)虛警概率幾乎100%，而改進(jìn)后依舊可以保持較低的虛警率。由于此虛警率和信噪比成反比，所以不適用于復(fù)雜環(huán)境。

圖5 捕獲結(jié)果示意圖Fig.5 Schematic diagram of acquisition results

(3)基于捕獲算法的抗欺騙技術(shù)

文獻(xiàn)[10]總結(jié)了兩種針對捕獲階段的抗欺騙算法。一種是基于上下限閾值的捕獲算法來檢測真實(shí)信號(hào)非相干包絡(luò)值，這是由于欺騙信號(hào)為了快速鎖定環(huán)路，其功率都比真實(shí)信號(hào)高。在長期觀測并統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)定真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的非相干積分值閾值上下限，超過閾值則判斷為欺騙信號(hào)，發(fā)出預(yù)警，否則正常，但對于功率開始低于真實(shí)信號(hào)而在跟蹤環(huán)路才慢慢升高的隱蔽式欺騙技術(shù)無效。另一種是基于外部信息輔助的捕獲算法，此原理是依靠外部設(shè)備推算得到的量測信息和GNSS實(shí)得量測信息進(jìn)行一致性對比，此方式需要高精度的外部設(shè)備輔助，成本過高。

2.2 跟蹤層

(1)基于信噪比／載噪比測量的欺騙檢測技術(shù)

欺騙信號(hào)的入侵會(huì)增加噪聲基底，文獻(xiàn)[11]在此影響下提出了利用信噪比(SNR)檢測技術(shù)識(shí)別欺騙干擾。通過欺騙信號(hào)模型和實(shí)驗(yàn)分析欺騙信號(hào)對接收機(jī)的影響，得到欺騙信號(hào)的存在會(huì)抬高噪聲基底使得信噪比波動(dòng)的結(jié)論，以此作為檢測手段可以有效檢測欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)[12]也提出了基于載噪比統(tǒng)計(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾檢測方法，利用欺騙信號(hào)的存在會(huì)導(dǎo)致載噪比波動(dòng)的特點(diǎn)，該方法硬件復(fù)雜度低且易實(shí)現(xiàn)。同理，若接收機(jī)射頻模塊采用自動(dòng)增益放大器，噪聲基底增加也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度的變化，因此幅度也可作為一個(gè)檢測量，如圖6所示。

圖6 欺騙信號(hào)對接收機(jī)捕獲和跟蹤信號(hào)的影響Fig.6 Influence of deception signal on acquisition and tracking signal of receiver

(2)基于Doppler估計(jì)的抗欺騙技術(shù)

衛(wèi)星在空中的分布情況導(dǎo)致各衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的方向不一致，而對于單天線發(fā)射的欺騙源，它發(fā)射的信號(hào)到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的方向卻是一致的。文獻(xiàn)[13]就針對這個(gè)特點(diǎn)提出了一種基于Doppler頻率估計(jì)的彈載接收機(jī)抗欺騙干擾方法：先分析得到欺騙干擾模型和Doppler分析，得出同一方向信號(hào)的Doppler頻率變化率相似，然后利用殘留信號(hào)檢測技術(shù)檢測可能被欺騙的通道，對標(biāo)記通道進(jìn)行Doppler變化相似性判斷，存在欺騙信號(hào)則剔除，真實(shí)信號(hào)通道參數(shù)進(jìn)行量測值的組裝用于定位解算。在一兩顆星欺騙情況下可以有效排除欺騙信號(hào)的干擾，但在全星欺騙場景下該技術(shù)會(huì)受到限制。

(3)殘留信號(hào)檢測技術(shù)

殘留信號(hào)檢測技術(shù)[14]的首要條件是欺騙信號(hào)無法完全抑制真實(shí)信號(hào)，接收機(jī)可以同時(shí)接收真實(shí)信號(hào)和欺騙信號(hào)。檢測分成兩個(gè)階段：捕獲階段和跟蹤階段。捕獲階段：接收機(jī)檢測到多個(gè)相關(guān)峰或峰值畸形，經(jīng)檢測算法后判定為欺騙信號(hào)，則標(biāo)記該通道并分配兩個(gè)跟蹤環(huán)路進(jìn)行兩個(gè)信號(hào)參數(shù)的跟蹤鎖定，提取量測信息用于后續(xù)處理。跟蹤階段：在跟蹤信號(hào)的周圍搜索是否有超過閾值的信號(hào)，當(dāng)受到欺騙時(shí)提取該通道所有信號(hào)的參數(shù)，利用欺騙參數(shù)重構(gòu)欺騙波形進(jìn)行欺騙信號(hào)的消除。文獻(xiàn)[15]對其的仿真驗(yàn)證了該方法的可行性，但若最初跟蹤到的是欺騙信號(hào)，則會(huì)適得其反，使得真實(shí)信號(hào)被消除掉。

(4)基于復(fù)合信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(SQM)方差的檢測技術(shù)

文獻(xiàn)[16]分析了欺騙信號(hào)的模型，針對欺騙信號(hào)以恒定功率優(yōu)勢高于真實(shí)信號(hào)的欺騙場景提出了基于復(fù)合SQM方差的檢測技術(shù)，該技術(shù)是峰值斜率算法和信號(hào)幅度算法的線性組合。由于欺騙信號(hào)的切入會(huì)引起碼環(huán)輸出波動(dòng)、相關(guān)峰畸形和幅度變化，所以根據(jù)碼環(huán)的相關(guān)累積值計(jì)算得到SQM方差，并加入了滑動(dòng)窗口，當(dāng)超過檢測門限即判定為欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)作者對復(fù)合算法和單一算法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了復(fù)合算法的有效性，在10s時(shí)間內(nèi)欺騙識(shí)別率達(dá)83%以上。

綜上所述，從射頻信號(hào)中監(jiān)測到欺騙信號(hào)，大多是依靠信號(hào)質(zhì)量來識(shí)別的，如信噪比、載噪比、功率、幅度、峰值斜率和跟蹤誤差。首先針對一種欺騙場景提出單個(gè)技術(shù)，后利用多種技術(shù)融合防御多種欺騙場景。欺騙技術(shù)和抗欺騙技術(shù)不斷更新，但都圍繞著欺騙信號(hào)產(chǎn)生的某一個(gè)特征進(jìn)行算法的研究和優(yōu)化。

“欺騙與被欺騙”在戰(zhàn)場上屢見不鮮，前有“明修棧道，暗度成倉”的典故，后有伊朗誘捕美軍軍事戰(zhàn)機(jī)案例。抗欺騙的目的既是為了檢測到欺騙信號(hào)，更是為了消除欺騙信號(hào)的影響。針對信號(hào)層面，詳細(xì)介紹了信號(hào)的檢測到構(gòu)建欺騙信號(hào)參數(shù)用于抑制和消除欺騙信號(hào)，下面將其他方法進(jìn)行簡單介紹。

文獻(xiàn)[17]介紹了GPS遭受位置、速度和時(shí)間(PVT)欺騙存在的被欺騙特征分析，在完好性自主監(jiān)測技術(shù)失效情況下，防欺騙遺漏索引(Vulnerability Index Against Spoofing，VIAS)技術(shù)可以發(fā)揮作用。文獻(xiàn)[18]針對電力公司遭受欺騙攻擊引起的時(shí)間跳變提出了應(yīng)用多點(diǎn)定位技術(shù)，只允許一組GPS接收器接收到錯(cuò)誤的GPS信號(hào)源，多個(gè)接收設(shè)備協(xié)同工作來抵御欺騙信號(hào)的攻擊。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一款抗欺騙GPS接收機(jī)(Spoofing Resistant GPS Receiver，SPREE)，利用輔助峰值跟蹤(Auxiliary Peak Tracking，APT)和導(dǎo)航信息檢查器(Navigation Message Inspector，NAVI)技術(shù)能檢測到現(xiàn)存的全部欺騙手段。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一種多設(shè)備欺騙檢測系統(tǒng)，針對多設(shè)備協(xié)同欺騙可實(shí)現(xiàn)低于1%的誤報(bào)率。文獻(xiàn)[21]針對定向天線的衛(wèi)星接收機(jī)提出了一種用擴(kuò)展Kalman濾波器估計(jì)信號(hào)到達(dá)方向的方式，以檢測不同方向的欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)[22]從“Humphreys利用價(jià)值數(shù)千美元的欺騙設(shè)備成功欺騙8000萬美元的超級游艇”出發(fā)展開了欺騙信號(hào)對國家和公司威脅的討論，且比利時(shí)Leuven大學(xué)的研究人員Ashur和Rijmen表示他們已經(jīng)開發(fā)出了一種身份驗(yàn)證協(xié)議來阻止偽造Galileo導(dǎo)航數(shù)據(jù)，但對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙無效。文獻(xiàn)[23]提出了一種基于硬件振蕩器的新型GPS欺騙檢測方案，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他計(jì)算能力有限的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中。文獻(xiàn)[24]針對欺騙信號(hào)切入會(huì)引起時(shí)間跳變的問題提出了芯片級原子鐘輔助的慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙檢測方法，利用原子鐘的高精度守時(shí)能力在時(shí)間域內(nèi)檢測欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)[25]探討了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的抗GPS欺騙系統(tǒng)的可行性，利用信噪比數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型參數(shù)，其模型準(zhǔn)確度最高可達(dá)98%。文獻(xiàn)[26]介紹了國外學(xué)者Sathaye等研發(fā)的一種單天線、獨(dú)立的GPS接收器(SemperFi)，即使在欺騙攻擊期間，它也能夠跟蹤真實(shí)GPS衛(wèi)星信號(hào)并估計(jì)真實(shí)位置。SemperFi由基于連續(xù)干擾消除的專門設(shè)計(jì)的算法和模塊組成，能夠恢復(fù)被強(qiáng)大對手完全掩蓋的真實(shí)GPS信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)評估表明，SemperFi可以從無感欺騙攻擊(攻擊者的功率優(yōu)勢可高達(dá)15dB)中恢復(fù)，精度為100m。SemperFi還可以作為一個(gè)可插拔模塊，該模塊能夠得到真實(shí)的GPS信號(hào)供目標(biāo)設(shè)備使用，較為靈活，不需要占用自身設(shè)備資源，SemperFi結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 帶有對抗性峰值標(biāo)識(shí)符和真實(shí)信號(hào)檢索器的SemperFi示意圖Fig.7 Schematic diagram of SemperFi with adversarial peak identifier and legitimate signal retriever

3 欺騙與抗欺騙技術(shù)展望

作為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，北斗也同樣存在著被欺騙的風(fēng)險(xiǎn)，但各無線電導(dǎo)航系統(tǒng)之間相互兼容，抗欺騙技術(shù)也適用于北斗。GPS在前期未考慮抗干擾功能，而北斗在前人的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，既考慮了抗干擾功能，又有獨(dú)一無二的短報(bào)文通信功能。在新時(shí)代，北斗賦能各行各業(yè)，國家鼓勵(lì) “北斗＋”、“＋北斗”技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)北斗與物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、人工智能、5G通信、區(qū)塊鏈等戰(zhàn)略前沿技術(shù)的交叉融合，推動(dòng)北斗融入新基建，催生新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，力爭到“十四五”末期，實(shí)現(xiàn)北斗產(chǎn)業(yè)化向更寬范圍、更高水平、更高層次邁進(jìn)。在北斗和人們的生活越來越密切的時(shí)代，其安全隱患越迫切需要得到解決，研究者們正在探索和試驗(yàn)在未來導(dǎo)航戰(zhàn)場上遭受無線電干擾情況下國家基礎(chǔ)設(shè)施還能迅速恢復(fù)過來的抗欺騙方法。下面對未來的欺騙技術(shù)與抗欺騙技術(shù)提出幾點(diǎn)展望：

1)對高級欺騙技術(shù)的研究。通過對目標(biāo)接收機(jī)中間相位的準(zhǔn)確檢測，采用天線圖像識(shí)別或者相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能完全抑制真實(shí)信號(hào)的無感欺騙技術(shù)。

2)對欺騙消除技術(shù)的研究。由于欺騙信號(hào)的進(jìn)入會(huì)影響跟蹤環(huán)路誤差，導(dǎo)致定位精度下降或環(huán)路失鎖現(xiàn)象，因此不光要檢測到欺騙信號(hào)的存在，欺騙信號(hào)的抑制和消除也很重要。

3)北斗導(dǎo)航和其他可靠導(dǎo)航設(shè)備深度耦合，建立彈性PNT體系，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4)目前，抗欺騙功能是通過增加硬件或增加計(jì)算量來實(shí)現(xiàn)，且對硬件要求較高。小體積接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生額外的體積或熱量，溫度太高不利于小體積接收機(jī)的正常定位能力，限制了微PNT系統(tǒng)的研究，可在文獻(xiàn)[26]研發(fā)的SemperFi基礎(chǔ)上提高定位精度、縮小體積和降低成本，使該SemperFi模塊適用于民用設(shè)施。

5)強(qiáng)化欺騙設(shè)備的反跟蹤和摧毀能力，目標(biāo)接收機(jī)通過檢測到欺騙信號(hào)的來向和信號(hào)強(qiáng)弱或者其他手段進(jìn)行判斷。

6)多種抗欺騙手段聯(lián)合使用是未來抗欺騙技術(shù)的發(fā)展方向。首先，從射頻前端采用抗欺騙天線技術(shù)削弱欺騙信號(hào)的能量；其次，在信號(hào)處理階段檢測出欺騙信號(hào)的存在，并搭建單獨(dú)的跟蹤環(huán)路實(shí)時(shí)跟蹤鎖定欺騙信號(hào)，得到欺騙信號(hào)參數(shù)，利用該參數(shù)既可以和其他的輔助設(shè)備進(jìn)行參數(shù)比對以防跟蹤上的是欺騙信號(hào)，又可以進(jìn)行欺騙信號(hào)的消除；然后，在信息處理階段采用完好性監(jiān)測技術(shù)防止上一階段有通道存在真實(shí)和欺騙信號(hào)誤判；最后，在數(shù)據(jù)融合層面，利用其他外源傳感器信息通過緩變故障監(jiān)測的方式剔除依然被欺騙的衛(wèi)星導(dǎo)航，采用其他可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行定位導(dǎo)航，如圖8所示。

圖8 抗欺騙干擾示意圖Fig.8 Schematic diagram of anti-deception jamming

4 結(jié)論

總的來說，欺騙與抗欺騙技術(shù)是矛與盾的關(guān)系。沒有一種抗欺騙技術(shù)能夠檢測所有的欺騙攻擊，也沒有一種欺騙技術(shù)能夠使所有的抗欺騙技術(shù)失效。欺騙技術(shù)的進(jìn)步會(huì)促進(jìn)抗欺騙技術(shù)的發(fā)展，抗欺騙技術(shù)的完善也會(huì)使得越來越多更先進(jìn)的欺騙手段涌現(xiàn)出來，兩者之間此消彼長，你追我趕。因此，研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的欺騙與抗欺騙技術(shù)的工作永遠(yuǎn)在路上。對于欺騙技術(shù)，在未來技術(shù)發(fā)展鼎盛時(shí)期，接收機(jī)可能如同紐扣一般隨處可見，為了避免受到不法分子威脅而不自知，欺騙技術(shù)可以幫助我們化險(xiǎn)為夷，抗欺騙技術(shù)可以保障GNSS服務(wù)安全。到目前為止，GNSS抗欺騙技術(shù)還不具有普適性，即一種抗欺騙干擾檢測和抑制技術(shù)并不能用于多欺騙干擾場景，大多數(shù)的欺騙檢測技術(shù)僅僅針對某一個(gè)特定場景有效。所以，開發(fā)和探索多種多樣的GNSS抗欺騙干擾技術(shù)至關(guān)重要。除了實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證，希望更多地實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，對保障導(dǎo)航應(yīng)用安全、保證國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵行業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。