GNSS干擾和欺騙檢測技術研究

摘要：全球導航衛星系統（GNSS）在現代社會中廣泛應用于定位、導航和時間同步等領域。然而，GNSS系統容易受到干擾和欺騙攻擊，可能導致嚴重后果，如位置誤差、導航失敗甚至引發安全風險。因此，研究GNSS干擾和欺騙檢測技術對于確保GNSS系統的可靠性和安全性至關重要。本文通過對GNSS干擾和欺騙的定義、類型、特點以及已有的檢測方法進行論述，為相關工作人員提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：GNSS；干擾；欺騙；檢測技術

一、GNSS干擾概述

（一）GNSS干擾概念

全球導航衛星系統（GNSS）干擾是指在GNSS信號傳輸過程中出現一些問題，導致信號質量下降，定位精度降低，甚至導航系統功能中斷。通常可以將GNSS干擾分為有意干擾和無意干擾兩種類型。有意干擾是指惡意攻擊者通過故意干擾GNSS信號來誤導用戶位置信息或破壞GNSS系統正常運行的行為。無意干擾則是由于自然或技術因素引起的信號干擾，如電磁干擾、多徑效應、惡劣天氣等。

（二）GNSS干擾特點

1. 隱蔽性

GNSS干擾往往以行動隱蔽或模仿合法信號的方式進行，使用戶很難意識到信號被干擾，因此很容易將其誤認為是自然干擾。

2.動態性

GNSS干擾的特征和強度可能隨時間和空間的變化而變化。干擾源的位置、功率和頻率等參數可能會發生變化，從而對定位和導航系統產生不同程度的影響。

3.多樣性

GNSS干擾的形式多樣，包括頻率干擾、碼干擾、相位干擾等。此外，干擾還可以通過多徑效應、反射干擾、信號屏蔽等方式引入，導致定位誤差。

（三）GNSS干擾分類

1.干擾源分類

①有線干擾源。有線干擾源是通過有線電纜傳輸的電力線、通信線和雷達等設備引起的GNSS干擾。這些設備在傳輸過程中會產生電磁波，這些電磁波可能影響GNSS接收機的正常工作。

②無線干擾源。無線干擾源是通過無線信號傳輸的設備引起的GNSS干擾。這些設備包括無線電發射塔、無線電通信設備和雷達干擾器等。無線干擾源發射的無線信號可能與GNSS衛星信號發生沖突，導致GNSS接收機無法正常接收到衛星信號。

③移動干擾源。移動干擾源是移動設備引起的GNSS干擾，主要包括移動電話和衛星電視發射器等。移動設備發射的無線信號可能與GNSS衛星信號發生沖突，干擾GNSS接收機的正常工作。

④自然干擾源。自然干擾源是指自然現象引起的GNSS干擾，主要包括閃電和太陽耀斑等。閃電產生的電磁波可能干擾GNSS信號的傳輸和接收，而太陽耀斑會產生高能粒子和電磁輻射，對GNSS系統的工作產生干擾作用。

2.干擾形式分類

①頻率干擾。頻率干擾是指干擾源在GNSS接收機所使用的頻率范圍內發射信號，使接收機無法接收到GNSS衛星信號。這種干擾會導致接收機無法進行頻率匹配，從而無法解碼衛星信號。

②碼干擾。碼干擾是指干擾源發送與GNSS衛星信號相似的偽碼，使接收機無法正確解碼。干擾源發送的偽碼與衛星信號的偽碼相互干擾，導致接收機無法正確識別和提取衛星信號。

③相位干擾。相位干擾是指干擾源改變接收機接收到的GNSS信號的相位，導致定位精度降低。干擾源對信號相位的改變可能會導致接收機無法準確測量信號到達時間，從而影響定位結果。

④功率干擾。功率干擾是指干擾源發送大功率信號，使接收機無法接收到較弱的GNSS衛星信號。高功率信號的干擾會覆蓋衛星信號，從而對接收機的接收靈敏度和定位精度造成影響。

二、GNSS干擾檢測技術

（一）信號質量評估

信號質量評估是一種判斷GNSS信號情況的技術，其基本原理是分析接收到的信號強度、帶寬、多路徑效應等參數。正常的GNSS信號通常具有較高的信號強度、較窄的帶寬和較少的多路徑效應。如果接收到的信號質量明顯偏離這些正常范圍，可能存在干擾信號。這種技術可以實時監測信號質量指標，并及時采取相應的措施。

（二）時頻分析

時頻分析是一種通過對信號的時域和頻域特征進行分析，判斷是否存在干擾信號的技術。在時域上觀察信號的波形、脈沖寬度、周期性等特征，來判斷信號是否異常。在頻域上，通過傅里葉變換等方法將信號轉換為頻譜圖，進一步分析信號的頻率、頻率偏移、頻譜形狀等特征。時頻分析技術可以檢測多個頻段的信號，從而提高干擾檢測的準確性。

（三）自適應濾波

自適應濾波是一種通過對接收到的信號進行時域濾波，抑制干擾信號，提取有效的GNSS信號的技術。自適應濾波器的設計和參數估計是該技術的兩個關鍵方面。設計自適應濾波器時，需要根據干擾信號的特點選擇合適的濾波算法，并通過參數估計方法估計濾波器的參數。自適應濾波技術可以提高GNSS信號的抗干擾能力，從而提高干擾檢測的準確性。

（四）空間干擾分析

空間干擾分析是一種基于天線陣列和空間信號處理的干擾檢測技術。利用天線陣列的多個接收單元接收到的信號之間的時延、相位差等差異，通過空間信號處理方法抑制干擾信號，提取有效的GNSS信號。在天線陣列設計方面，需要考慮天線間距、方向圖等因素，并通過優化算法選擇合適的天線配置。在信號處理算法方面，可以利用波束形成、空間濾波等方法來抑制干擾信號。空間干擾分析技術可以提高GNSS系統對空間干擾的抵抗能力，提高干擾檢測的準確性。

（五）數據挖掘和機器學習

數據挖掘和機器學習是一種基于大數據分析和模式識別的干擾檢測技術。通過對大量的GNSS信號數據進行分析和訓練，建立干擾信號的模型，并通過模式識別算法判別是否存在干擾信號。該技術主要包括數據采集和預處理、特征提取和選擇、分類和識別等步驟。在數據采集和預處理階段，需要收集并清洗大量的GNSS信號數據，并提取出有效的特征。在特征提取和選擇階段，可以利用統計學、信號處理等方法提取與干擾信號相關的特征。在分類和識別階段，可以利用支持向量機、神經網絡等機器學習算法訓練和識別干擾信號的模型。數據挖掘和機器學習技術可以自動化地進行干擾檢測，并具有較高的準確性和實時性。為了應對日益復雜的干擾環境，干擾檢測技術也在不斷創新和改進。

三、GNSS欺騙概述

（一）GNSS欺騙概念

GNSS欺騙是指惡意干擾或破壞全球導航衛星系統（GNSS）信號的行為，目的是欺騙GNSS接收設備的位置和時間信息。欺騙者通過發送虛假的導航信號來誤導GNSS接收設備，使其產生錯誤的位置和導航信息。

（二）GNSS欺騙特點

1.隱蔽性

由于GNSS信號的傳播受大氣層影響，容易受到干擾和欺騙。攻擊者可以發送虛假信號來欺騙GNSS接收設備，而用戶很難察覺到這種攻擊。

2.精準性

攻擊者可以通過模擬真實的衛星信號或發送虛假的導航數據來欺騙接收設備，從而導致設備位置和導航信息的顯著偏移。這種精準的攻擊對導航系統的可靠性和安全性產生重大影響。

3.可擴展性

由于GNSS系統廣泛應用于多個領域，如航空、航海、交通等，因此GNSS欺騙可以對多個領域的設備和系統造成影響。攻擊者可以針對不同的接收設備和系統進行欺騙，實現對多個目標的攻擊。

（三）GNSS欺騙分類

1.位置欺騙

位置欺騙是指攻擊者通過發送虛假的導航信號來誤導GNSS接收設備的定位判斷。攻擊者可以將接收設備的位置誤導到錯誤的地點，或者使其保持在原始位置而不被發現。這種欺騙可能對航空和航海等領域的導航系統可靠性產生嚴重影響。

2.時間欺騙

時間欺騙是指攻擊者通過發送虛假的時間信息，使GNSS接收設備誤判當前時間。攻擊者可以使接收設備的時間產生偏移，或者使其保持在原始時間而不被察覺。這種欺騙可能對金融交易和通信網絡等時間敏感應用產生嚴重影響。

3.阻斷攻擊

阻斷攻擊是指攻擊者通過發送干擾信號，使GNSS接收設備無法接收到真實的衛星信號。攻擊者可以發送高功率干擾信號來覆蓋真實的衛星信號，從而使接收設備無法正常工作。這種攻擊可能對導航系統的可靠性和連續性產生重大影響。

四、GNSS欺騙檢測技術

（一）信號特征分析

1.頻譜分析

通過對接收到的GNSS信號進行頻域分析，可以判斷信號是否存在異常。例如，當信號頻率偏移超過正常范圍，或者出現不尋常的頻譜形狀，就可能有欺騙攻擊。

2.時域分析

通過對接收到的GNSS信號進行時域分析，可以檢測信號是否出現異常。如，當信號的時間延遲超過正常范圍，或者出現不尋常的時域形狀，就可能有欺騙攻擊。

3.編碼特征分析

通過對接收到的GNSS信號的編碼特征進行分析，可以判斷信號是否被篡改。例如，當信號的編碼序列不符合預期的模式，或者出現不尋常的編碼特征，就可能有欺騙攻擊。

（二）位置驗證技術

1.多傳感器融合

通過將GNSS接收器的輸出與其他傳感器（如慣性導航系統、地圖數據庫等）的輸出進行融合，可以提高位置信息的可靠性。

2.地物特征提取

通過提取接收器所處位置周圍的地物特征（如建筑物、道路、水體等），并與地圖數據庫中的地物特征進行比對，可以判斷接收器的位置是否準確。

（三）時鐘同步技術

1.載波相位同步

通過對接收到的GNSS信號的載波相位進行同步校準，可以檢測信號是否存在異常。例如，當接收到的GNSS信號的載波相位與預期的相位差異較大時，就可能有欺騙攻擊。

2.時鐘偏移檢測

通過對接收到的GNSS信號的時鐘偏移進行檢測，可以判斷信號是否被篡改。例如，當接收到的GNSS信號的時鐘偏移超過正常范圍，就可能有欺騙攻擊。

（四）協同定位技術

1.時差測量

通過多個接收器之間的時差測量，可以檢測信號是否存在異常。例如，當多個接收器之間的時差測量結果不一致時，就可能有欺騙攻擊。

2.多基站定位

通過多個基站之間的信號交叉定位，可以提高定位的精度和可靠性。例如，當多個基站之間的定位結果不一致時，就可能有欺騙攻擊。

（五）地面監測技術

1. 天線陣列

首先，天線陣列由多個天線構成，這些天線可以分布在不同的位置，形成一個二維或三維的陣列結構。當接收到的GNSS信號經過天線陣列時，不同位置的天線會接收到不同信號強度和相位的信號。然后，通過對接收到的信號進行空間分析，可以判斷信號的入射角度是否與預期的一致。如果接收到的信號的入射角度與預期的不一致，就可能有欺騙攻擊。此外，天線陣列還可以通過分析信號的多徑傳播情況來判斷信號是否存在異常。多徑傳播是指信號在傳輸過程中經過反射、折射等，形成不同路徑傳播到接收器。如果信號的多徑傳播情況與預期不符，就可能存在信號異常或欺騙攻擊。最后，通過將天線陣列的輸出與其他位置信息源（如地圖數據庫）進行比對，可以進一步驗證接收器的位置信息是否準確。如果接收器輸出的位置信息與其他位置信息源不一致，就可能有欺騙攻擊。

2. 電磁環境監測

首先，應該部署電磁監測設備來監測周圍的電磁環境，以便識別是否存在不尋常的電磁干擾。這些設備可以通過接收和分析周圍的電磁信號，包括GNSS信號和其他無線電信號。通過對監測到的電磁信號進行分析，可以判斷是否存在與預期不符的GNSS信號干擾或其他無線電信號干擾，從而可以推斷是否發生了欺騙攻擊。其次，應該對接收到的GNSS信號進行詳細分析，例如信號的強度、相位等特征，以判斷其是否與預期相符。通過監測信號特征的變化，可以確定是否存在信號異常或干擾。如果接收到的GNSS信號與預期不一致，有可能表明存在欺騙攻擊。另外，還可以通過將接收器的輸出數據與其他位置信息源進行比對，來驗證接收器的位置信息是否準確。通過與地圖數據庫或其他GNSS接收器的數據進行對比，可以判斷接收器輸出的位置信息是否與其他數據一致。如果接收器輸出的位置信息與其他設備的數據不一致，就可能表明存在欺騙攻擊。

五、結束語

在現代社會中，GNSS系統的可靠性和安全性對于定位、導航和時間同步等領域至關重要。為了提高GNSS系統的抗干擾能力，減少位置誤差、導航失敗和安全風險，需要進行干擾和欺騙檢測技術的研究。需要注意的是，隨著技術的發展，欺騙技術也在不斷進化。因此，要不斷更新和完善GNSS欺騙檢測技術，并采取相應的防范措施以應對新的欺騙攻擊手段。只有持續開展研究和改進，才能確保GNSS系統在現代社會中的安全性和可靠性，滿足定位、導航和時間同步等需求。

作者單位：王鑫 孫濤 胡萍 煙臺市無線電監測中心

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