真實(shí)環(huán)境中的GNSS/GPS干擾和欺騙測(cè)試

技術(shù)進(jìn)步也會(huì)同步伴隨這更多危險(xiǎn)因素出現(xiàn)，而在科技領(lǐng)域更是如此。GNSS/GPS信號(hào)的抗干擾能力相對(duì)較差，容易受到兩種形式的干擾：信號(hào)干擾和信號(hào)欺騙。

GNSS/GPS干擾和欺騙是什么？

技術(shù)進(jìn)步也會(huì)同步伴隨這更多危險(xiǎn)因素出現(xiàn)，而在科技領(lǐng)域更是如此。GNSS/GPS信號(hào)的抗干擾能力相對(duì)較差，容易受到兩種形式的干擾：信號(hào)干擾和信號(hào)欺騙。

GNSS/GPS干擾是由外部干擾源發(fā)起的頻率干擾，以造成接收機(jī)失去位置信息。

第二種威脅形式是信號(hào)欺騙，這是指?jìng)卧斓腉NSS/GPS信號(hào)干擾接收機(jī)，也就是顯示與實(shí)際情況不符的位置和時(shí)間信息，以此欺騙用戶。

GNSS/GPS干擾和實(shí)地測(cè)試

隨著GNSS/GPS信號(hào)干擾和欺騙的信息層出不窮，人們對(duì)這些威脅的認(rèn)知度在不斷提升。在這樣的現(xiàn)狀下，我們要加倍努力實(shí)施抗干擾和反欺騙解決方案。

十余年來(lái)，專家一直在受控環(huán)境（實(shí)驗(yàn)室）中評(píng)估GNSS/GPS的抗干擾和反欺騙功能。但這些測(cè)試存在局限性，無(wú)法全面分析和覆蓋接收機(jī)遭受干擾或欺騙時(shí)的行為。為此，有必要通過(guò)實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證來(lái)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。戶外測(cè)試的作用：

●  支持識(shí)別真實(shí)用戶環(huán)境中典型干擾和欺騙信號(hào)的特征。

●  支持驗(yàn)證接收機(jī)的抗干擾和反欺騙能力。

●  支持了解在動(dòng)態(tài)條件下，接收機(jī)遭受干擾和欺騙時(shí)的表現(xiàn)。

這幾點(diǎn)意義非凡，有助于了解接收機(jī)抗干擾能力的不足，繼而做出改善。

GNSS頻段受官方保護(hù)，在該頻段上通播射頻需要取得特別授權(quán)，否則就屬于違法行為，這造成工程師很難前往實(shí)地執(zhí)行測(cè)試。此次測(cè)試是挪威當(dāng)局第二次組織像Jammertest 2022 1這樣的實(shí)地測(cè)試。

測(cè)試

挪威北岸是Jammertest 2022的場(chǎng)地。在挪威當(dāng)局的協(xié)助下，一支專家小組啟動(dòng)了在正常大氣條件下評(píng)估GNSS/GPS干擾和欺騙的工作。

在為期一周多的時(shí)間里，一百多位專家在干擾和欺騙測(cè)試中評(píng)估了設(shè)備性能。測(cè)試中涉及到不同的道路和天氣條件，總共三個(gè)主要位置區(qū)為部分頻段的干擾和欺騙提供測(cè)試環(huán)境：一個(gè)高效干擾機(jī)測(cè)試區(qū)，兩個(gè)低效干擾機(jī)測(cè)試區(qū)。

此次測(cè)試活動(dòng)使用的大多數(shù)GNSS/GPS信號(hào)干擾機(jī)均為挪威通信管理局或警方罰沒(méi)的設(shè)備。還有一部分干擾機(jī)是在網(wǎng)上購(gòu)得的，但并不是供公眾使用的設(shè)備。

測(cè)試分為兩個(gè)大類：干擾情景和欺騙情景。

●  干擾測(cè)試進(jìn)一步分為兩組；可發(fā)射CW和PRN（BPSK調(diào)制）干擾信號(hào)的高效干擾機(jī)；以及低效干擾機(jī)（寬帶掃頻式）。

●  對(duì)于欺騙測(cè)試，專家認(rèn)為可分為兩類：基本攻擊和高級(jí)攻擊。基本攻擊涉及評(píng)估特定的位置和時(shí)間，以欺騙L1C/A衛(wèi)星信號(hào)。高級(jí)攻擊涉及在不同的時(shí)間范圍（時(shí)間梯度、頻率梯度或假閏秒）下同步的露天GPS L1欺騙信號(hào)。下表展示了該試驗(yàn)周中用到的各種類型的測(cè)試和規(guī)范。 

i 專家將所有測(cè)試重復(fù)兩次，首先使用CW，然后使用PRN (BPSK)

ii 駕駛地點(diǎn)是Bleik附近區(qū)域

iii 測(cè)試在Grunnvatn進(jìn)行（利用未在第1部分中使用的干擾機(jī)）

iv 駕駛地點(diǎn)是Grunnvatn附近區(qū)域

v 可開車到任意位置

結(jié)果

根據(jù)上述條件在安島附近行車，并克服各種障礙（例如，在記錄活動(dòng)時(shí)同步信號(hào)），這讓專家可以更好地了解接收機(jī)在遭受干擾和欺騙期間的行為。通過(guò)此試驗(yàn)周的活動(dòng)推斷出的主要觀察結(jié)果包括：

1)由于信號(hào)處理技術(shù)，接收機(jī)表現(xiàn)穩(wěn)健，位置與時(shí)間信息的可用性提高。

2)對(duì)位置和時(shí)間信息可用性助益最大的因素是處理多個(gè)頻段和傳感器數(shù)據(jù)的能力，具體如下： 

a.在使用傳感器數(shù)據(jù)(DR)的單頻接收機(jī)失去GNSS定位/信號(hào)時(shí)，仍可通過(guò)DR提供位置和時(shí)間信息。

b.在多頻接收器失去來(lái)自干擾頻段的信號(hào)時(shí)，仍可提供GNSS定位/信號(hào)。

下圖說(shuō)明了高效GNSS信號(hào)干擾機(jī)(20W)對(duì)L1頻段施加長(zhǎng)時(shí)間干擾的情景。圖中顯示了用于估算位置、速度和時(shí)間解的每個(gè)頻段的信號(hào)數(shù)量。

信號(hào)數(shù)量的減少與接收到的干擾功率相對(duì)應(yīng)，主要決定因素是與干擾機(jī)的距離。在干擾源附近完全檢測(cè)不到L1頻段的信號(hào)。因嚴(yán)重干擾（20W發(fā)射功率），L2頻段受到極大的影響。但即便在這種情景下，接收機(jī)也能檢測(cè)到至少四個(gè)信號(hào)，提供準(zhǔn)確的位置、速度和時(shí)間解。

3)在大多數(shù)情況下，即使在高影響干擾中，干擾也不會(huì)造成位置和時(shí)間信息準(zhǔn)確性顯著下降，基本干擾產(chǎn)生的影響更是微乎其微。

下圖展示了在本次測(cè)試活動(dòng)中，車輛為獲取信息而采用的行駛路線之一：在露天環(huán)境中穿過(guò)Bleik村。在此情景中，車輛首先靠近干擾機(jī)，然后再遠(yuǎn)離該設(shè)備。

圖1.Bleik周邊動(dòng)態(tài)高效干擾機(jī)情景的測(cè)試結(jié)果

在整個(gè)測(cè)試階段中，ZED-F9P接收機(jī)輸出結(jié)果始終保持足夠的精確度。原因是在干擾機(jī)造成L1 GNSS/GPS信號(hào)丟失時(shí)，接收機(jī)會(huì)使用L2信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航。

總結(jié)

此次試驗(yàn)中使用的規(guī)范和時(shí)間范圍讓參與者能確定接收機(jī)在真實(shí)條件下遭受干擾和欺騙時(shí)的行為。這次試驗(yàn)活動(dòng)讓技術(shù)開發(fā)者得出了詳實(shí)的結(jié)論。

對(duì)于u-blox來(lái)說(shuō)，這是一次評(píng)估當(dāng)前GNSS接收機(jī)在真實(shí)環(huán)境中的抗干擾能力的絕佳機(jī)會(huì)。我們也借此獲得了有助改善未來(lái)設(shè)備安全性的寶貴見解，對(duì)于我們一直高度關(guān)注的安全主題極有價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://gpspatron.com/jammertest2022-norway/

本文作者 | Philipp Richter，u-blox高級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)師