军事定位导航授时（PNT）系统应对安全威胁的最新进展

2018-07-07张新征

轻兵器 2018年7期

关键词：接收器接收机卫星

张新征

对GNSS的依赖

与民用基础设施一样，美军许多数字军事系统都依赖于GPS来提供可信的PNT数据，使得部队能够在现代战场上感知定位。失去对PNT信息的访问或信任，也就丧失了美军现代武装力量支配对手所需的关键信息。

随着GPS和其他GNSS信号在工作中变得无处不在，对GPS信号可用性和完整性的威胁也与日俱增。现代国家和犯罪威胁行动者很容易就能获得可以堵塞和欺骗GPS信号的便携式设备。

为了展开与GPS信号可用性和可信性威胁的对抗，当GPS不可用时，必须考虑利用其他技术，PNT技术则是在GPS信号丢失期间能够继续运行的秘诀。

GPS已成为最著名的全球导航卫星系统（GNSS）星座。它由美国国防部管理，由在约20000km高度地球轨道运行的超过24颗活动卫星和数个备份卫星组成。为了确定地球上的位置，必须接收到至少4颗卫星的信号。所有卫星以规则的间隔发射同步脉冲。即使来自卫星的脉冲以光速（或接近）行进，因为路程不同，它们也不会同时到达接收器。利用3颗卫星的信号延迟，接收器计算出其当前位置的X、Y和Z坐标（“三维定位”）。第4个信号是传输开始时间标记所需的：这个时间标记需要非常精确地测量其他3颗卫星信号之间微小的传输延迟。

对GPS的威胁影响了大量的军事信息系统，如通信与指挥控制系统、信号情报应用、车载导航单元以及传感器载荷，它们都依赖可信的GPS进行定位、导航与授时，对于所有这些系统，失去了对GPS的接入，都会直接导致其使用效果的降级。考虑到对GPS及其他GNSS的依赖，新的问题产生了：哪些技术适用于补充GPS？

对GPS威胁的抑制

GNSS的易损性

简要地了解GNSS的易损性会有助于更好地理解潜在威胁，从而为今天寻求并移植可用技术提供方向。

与其他射频信号相比，GNSS的信号异常微弱。GPS卫星的发射功率仅在10～100W范围内，当信号到达地球时，它实际上比其频带中的大气背景噪声水平更弱（这被称为负信噪比）。换句话说，如果你把一个标准的射频接收器调谐到1575.42MHz的GPS L1频带中，除了背景噪声之外你不会听到任何声音。

GNSS接收器可以利用其处理增益从噪声中提取这个微弱信号，因为它“知道”应该寻找哪种信号模式：一旦搜索模式与实际信号模式相关，即检测到相互匹配，数据流的解码就开始了，可以提取到卫星的位置数据以及它们与接收器之间的距离。一旦该数据可用，接收机就可以计算自身的位置。

现代的多模GNSS接收机可以同时接收到多个GNSS星座的数据，因此其可提供较好的信号覆盖，但是GNSS信号也特别容易受到干扰。

为了更好地理解针对GNSS的威胁，通常可以将它的易损性问题分为两类——干扰和欺骗。

干扰

干扰通常指利用射频信号进行有意的干涉。干涉则常被用在自然原因引发的现象，例如大气现象。两者的效果是相同的：使得GNSS接收器从背景噪声中提取GNSS信号信息的能力受到损害或变得不可能。

非法销售的GPS干扰机（也称为个人隐私设备，PPD）属于故意干扰的类型，它们通常针对不同的接收机。随着公众愈加注重个人隐私，这类设备可能会随着时间的推移而变得越来越流行。

军事接收机使用加密的防欺骗模块（SAASM）GPS信号，以确保接收到的信号可以被信任。然而，这些信号仍能被一般的技术设备所干扰：1～10W的干扰器可以在很大范围内拒止GPS的覆盖，而不管信号是否被加密。虽然新的M码在取代防欺骗模块（SAASM）加密技术，抵御干扰的能力略有提升，但绝不是免疫的。

欺骗

“欺骗”有时也被称为复杂干扰，是为了欺骗GNSS接收器把虚假信号作为真实信号传输，以传播虚假信号的行为。

从技术的角度来看，欺骗GNSS接收机比干扰更具挑战性，其后果更为严重，因为接收机实际上使用人为信号进行PNT计算，而且无论系统还是操作员都没有意识到所指示的PNT数据已被破坏。

GPS欺骗示意图

欺骗攻击的第一步是将欺骗设备与实时空中信号同步，以捕获已经跟踪真实信号的接收器，这包括同步到实时空中时间信号、位置信号和功率电平。

在同步成功之后，就可以逐渐增加功率电平，从而掩蔽真实信号，并且可以开始人为操纵定位和授时数据。

干扰与欺骗案例

以下是发生的几个干扰与欺骗案例。

——据海事媒体2017年7月报道，大约20艘船在黑海中被自動识别系统（AIS）引导到一处据称偏离实际位置的地方。海事交通等跟踪网站使用了错误的AIS数据，并临时向内陆“搬迁”受影响的船只。该欺骗事件可能是由俄罗斯系统造成的。俄罗斯被认为已经广泛使用GPS干扰技术，并继续保持自己的陆地罗兰系统，以作为其全球卫星定位系统格洛纳斯（GLONASS）的补充。

——据报道，在2015年夏季的一个不公开的日子里，几艘驶离一个非美国港口的舰船突然失去了GPS信号。在这种情况下，美国海岸警卫队于2016年1月发布安全警报，警告水手们失去GPS信号的潜在后果。

——2013年8月，美国联邦通信委员会（FCC）做出了一项对个人罚款近3.2万美元的决定，该人士曾经于2012年在纽瓦克机场附近，非法使用GPS干扰装置干扰了航空安全系统。

正如这些案例所示，信号中断可以导致信号变得不可读，或者会破坏信号的真实性。为了对抗GPS信号可用性和可信性的威胁，必须将其他技术和机会信号融入可靠的PNT系统中，从而使它们能够在GPS被拒止的环境中运行。

针对机载GPS跟踪设备的机动式干扰机

民间自制GPS欺骗设备致使游艇偏离航向

干扰探测与抑制

对抗干扰的技术被称为干扰探测与抑制（IDM）。针对干扰与欺骗的防护也属于“反干扰”保护伞的组成部分。

当需要回答如下问题，即：什么使PNT应用能够抵御欺骗与干扰？

简短的回答是：将强有力且协调良好的IDM方案融入PNT系统，能够使其对抗干扰和欺骗。

詳细的最佳答案正如下图所示，它描述了能够用于增强PNT方案的不同技术，可获得技术上有效分散的备份PNT源。这些来源可以是专用的导航系统，但也可以是不相关的技术，如蜂窝系统，它被设计为不同的目的，可以在某些情况下，提供有用的PNT数据。

信号源选择的总目标应始终是实现不同技术和不同平台的组合，例如，地面与空间、微波与长波等，从而降低多个PNT信号源被干扰影响的可能性。

帕拉丁自行榴弹炮上的CRPA智能天线

针对干扰的防护

首先是阻止非预期或干扰信号与数据进入系统。这一目的可以通过使用电控定向天线来完成，它也被称为受控接收模式天线（CRPA）或“智能”天线。

另一种保护GNSS接收机免受干扰的技术方法是水平屏蔽天线。这种类型的天线会拒绝来自靠近地平线的信号，因为这些信号是由地面干扰机发射的可能性更大。

干扰探测

及时准确地探测干扰事件，涉及到使用所有可用信息向基于GNSS的PNT系统用户发布关于威胁存在的预警和提示。GNSS接收机越来越多地具备了干扰探测功能，该功能将告知用户干扰与拒止服务的情况，至少在信号意外丢失的情况下，提供更快的诊断选项。

安装在基于GNSS系统上的软件解决方案，是一种相对较新的探测干扰或欺骗攻击的方法，可以通过应用误差检测算法来监视GPS信号频带。该软件可以检测到GNSS接收机是否遭受欺骗，并且在信号丢失的情况下，可以提供关于信号丢失原因的有价值信息。该软件的算法可以识别导致信号减弱的干扰事件。如果超出了监控信号的阈值，则时间服务器将发出警报，并在内部时基被破坏之前判定GPS参考信号无效。

弹性PNT系统的备份信号概览

智能参考信号监控软件

这种类型的软件可以在时间服务器上运行，该服务器除了GNSS信号之外，还有额外的时间参考信号输入，例如惯性导航积分陀螺仪（IRIG）输入和/或精准时间协议（PTP）时钟信号。该软件将连续比较这些参考信号：如果GNSS参考信号超过软件确定的基于相位误差的有效阈值，就表明是一起干扰或欺骗事件，软件将自动发出警报以通知用户。它也可以被编程设置为禁用该GNSS参考信号，并返回到前一个最佳参考信号，而无需用户任何介入。这使得该软件模块既是干扰探测工具又是干扰抑制工具。有效性阈值是利用长期平均值和标准偏差计算得出的。把实际相位测量值与这些阈值进行比较，就可以检测到短期的相位漂移和跃迁。该参考信号监控软件也可以利用时间服务器上机（车）载振荡器的某些特性，例如时效和温度稳定性，来计算频率阈值，然后使用频率阈值来验证实时频率的测量值。

参考信号监控还提供了这样一种可能性，即基于相位与频率统计值，使用聚类技术将参考信号分组，并对它们加以比较，从而探测到异常值。

干扰抑制

这里干扰抑制的意思是在分离出不需要的参考信号之后，快速拒绝和替换它，从而将系统失效降低到最低程度。本质上，这涉及到使用增强技术和多样化策略来对GPS/GNSS系统提供额外的补充，从而降低对它的依赖。

在军事应用方面，首要的干扰抑制措施是尽可能地利用SAAMS/M码，或者使用多频接收机。另一种方法是使用能够独立接收和处理每个星座的GNSS接收机，然后，可以对这些不同星座的实时参考信号进行比较，以探测出可能是由于欺骗所引起的任何星座中的可疑变化（类似于上文所述参考信号监控软件）。

延迟解决是另一种暂时丢失GNSS参考信号时行之有效的技术方法，例如用于导航系统的时间振荡器和惯性导航系统。后者使用加速度计测量加速度，用陀螺仪来测量方向（导航）。这些装置的测量行为不需要任何外部参考信号的输入，并且对干扰具有免疫力。高端惯性导航系统能够在没有外部参考信号的情况下发挥作用，从而填补失去GNSS参考信号的空缺，但是随着时间推移带来误差的根本问题仍然无法解决。

其他技术也因有助于增强PNT系统的弹性，而使其成为GPS增强系统。其中部分方案基于电子罗兰（eLOGAN）等已有技术。还有一些技术起初并非用于PNT领域，如基于视觉的系统。

众源导航正在成为一个越来越流行的概念：如果一个集成到机动作战平台上的PNT解决方案失去了参考信号，它仍然可以与网络内具有已知位置的节点进行通信。在这种情况下，PNT解决方案可以通过确定到节点的距离来推断其位置。在无线网络上，通过精确地测量数据来回发送的时间延迟，就可以很容易地測量出相互之间的距离。

诸如WIFI和蜂窝通信信号等机会信号，通常是从其他用途的系统中“借用”的，因而也属于众源导航。

下文将讨论一种新技术，在今天该技术可用于加固基于GNSS的时间与频率系统，在某些情况下甚至取代GNSS参考信号（该技术应用于低速机动平台定位与导航的方案正在研发中）。该系统被称为卫星授时与定位（STL），其信号由铱卫星提供。铱卫星是由围绕地球的66颗通信卫星组成。

卫星授时与定位

萨特尔斯公司的卫星授时与定位服务，为GPS星座提供了一个备用的太空PNT源。其目的是通过铱卫星系统的寻呼机信道，向地面接收器提供可接收的PNT信号。该系统在运行之中，且目前就可投入使用。因为铱卫星运行在更近的地球轨道上，所以STL的信号比GNSS信号要强。事实上，该信号可以在室内接收，也无需地面基础设施的辅助，且具有更强的抗干扰性。

STL信号经过加密，用户被授予私用密钥用于信号的解密。STL的密码安全特性使其具有针对故意欺骗的杰出弹性。STL完美地增强了GPS和其他基于位置的技术，也提供了绝对高度的安全性。

卫星授时与定位是如何工作的？

用于STL的铱卫星在低地球轨道上运行，这意味着它们能够提供强信号，反映了与地球的相对接近。低空使轨道周期缩短到100分钟左右，明显小于GPS的12小时轨道周期。

值得关注的还有STL提供的地理位置安全性。解密代码与惟一的数据包相关联，该数据包表明是从哪个卫星和波束接收到的消息。

针对地球上某一地区，这些数据包只能在特定的时间接收到，因此对于某一位置的可信度是毋庸置疑的，例如在特定时间位于特定地点的船只，从而为舰载定位和通信系统提供了安全性。这使得STL成为一个强大的网络安全认证因素。因为它是一个被加密的信号，所以无法被欺骗。

利用STL进行位置确定

STL的定位和导航通常是不精确的，因为受较低轨道、较高速度移动星座几何轮廓的影响，星座中只有2个或3个卫星会同时出现在视野中。铱卫星轨道被设计用于优化通信连接性，而不是导航。而且，发射信号的窄带宽限制了测距精度。它的定位误差是标准GPS品质因数的10～50倍。这对于大多数快速移动的应用场景来说不够精确。然而，通过与惯性导航系统（1NS），再加上雷达或海事自动识别系统（AIS）的组合，STL可在信号衰减的情况下用于增强GPS的定位和导航操作。对每个卫星距离和多普勒频移的跟踪，将有助于减少惯性导航系统（INS）的漂移。

还要注意的是，铱卫星的轨道呈南北向。由于轨道会聚而导致在极点附近的覆盖范围增加——这使得STL非常适合在北极地区的导航。

总的来说，STL提供了一种非常有效的方法使得授时应用具有弹性。与其他信号或惯性测量相结合，STL还可以提高某些定位以及导航应用的弹性。

干扰测试

测试设备针对干扰和欺骗的实际易损性，这涉及到通过在实验室复制威胁来持续改进的过程，以创新和采用新的干扰探测和抑制策略。

美国军方进行了反干扰实况空中测试，以评估空中平台的抗干扰能力，例如，使用军方自己的GPS干扰设备。测试的目标是生成逼真的、实时空中GPS信号衰减环境，尽管这需要大量的准备工作来避免，或者将反干扰测试对民用空中交通、区域应急人员等的影响降低到最小程度。

利用GPS/GNSS模拟器也可以模拟威胁：这些模拟器能够在测试实验室使用，以便理解接收机是如何在欺骗或干扰状态下做出测试反应，或者对现有的干扰抑制技术做出评估。

测试也可以在特殊的封闭实验室中进行，以防止射频（RF）干扰信号的泄漏，或者通过模拟，使用围绕上述GNSS模拟器构建的易损性测试系统（VTS）。这些系统可以使用标准化接口将模拟GNSS数据直接馈送到被测试的接收机中，或者通过RF发送信号。VTS系统不仅能够模拟实时空中GNSS信号，而且能够模拟欺骗信号。后者可以单独地通过测试脚本实时或提前进行修改，从而可以模拟大量的测试场景，例如，信号强度、时间同步信号或单独的卫星进入/离开视野。

测试目标是通过理解GNSS接收机如何对欺骗进行反应，以便植入干扰抑制技术，然后迭代测试和修正改进的系统，从而加固系统。

一些PNT设备制造商还提供干扰探测与抑制（IDM）测试服务，包括测试客户设备以应对可能的威胁，以及易损性风险评估，并提出关于抑制干扰的建议。