在現代戰爭和國民經濟發展中，導航技術正發揮著日益重要的作用。當前以GPS、北斗等為代表的一大批現代衛星導航定位技術的快速發展，為現代戰爭提供了更加精確、可靠和全面的時空基準，也為交通運輸、工程建設、精細農業等國民經濟的各個門類提供了更加豐富準確的地理空間信息支持，催生了蘊含巨大發展潛力和經濟價值的空間地理信息及位置服務產業。
隨著GPS系統應用範圍的不斷擴展和應用水平的不斷深入，GPS信號由於其內在固有的脆弱性，導致其越來越容易受到信號欺騙技術的影響，使得其不能提供準確、可信的導航服務。可以說，GPS欺騙技術目前已經成為GPS可怕的“天敵”之一。本文從GPS欺騙的技術與實戰應用案例為角度，詳細分析梳理了目前的發展現狀。
文章僅供參考，觀點不代表本機構立場。
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什麼是GPS欺騙？
GPS欺騙是指：為誤導指定區域內的GPS導航定位信號，發射與真實GPS信號具有一定相似性的偽導航信號，迫使相關用戶接收終端接收解算此類偽導航信號，從而在隱蔽條件下使的用戶得到了虛假的位置、速度和時間信息並無法有效察覺。
需要指出的是，GPS欺騙與GPS干擾不同，GPS壓制干擾是以大功率干擾機發射不同類型的壓制信號，使得目標接收機無法接收到正常的GPS信號，用戶無法獲取導航、定位和授時結果，從而導致GPS系統的不可用。GPS欺騙指的是通過虛假信號誘導GPS接收機進行錯誤的捕獲和跟蹤，從而在不被察覺的情況下解算出錯誤的位置、時間和速度信息，達到欺騙用戶的目的。由於GPS欺騙往往不需要太強的發射功率, 隱蔽性好, 並能在一定程度上引導相關用戶按照錯誤方式進行導航，這也使得欺騙具有較強的生存能力。從某種程度上來講, 欺騙干擾帶來的危害比壓制干擾更為嚴重。
近年來，針對GPS欺騙的研究工作已經較為廣泛的開展起來。
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GPS脆弱性分析
GPS本身所具有的脆弱性是進行GPS欺騙的基礎。GPS的脆弱性主要包括：
（1）導航信號格式公開：GPS目前使用L1、L2和L5三個公開頻點播放導航信號，各頻點的頻譜特徵、信號調製格式及偽隨機碼序列均已公開，以GPS L1信號為例，其信號參數和特徵如下所示：
由於主要的信號參數都已公開，這意味著對欺騙者而言相關信號已經沒有“秘密”，欺騙者往往可以根據相關信號參數和特徵進行有針對性的欺騙行動。
（2）導航數據格式公開：GPS導航電文數據通常包括星曆、曆書、衛星鐘參數、電離層/對流層等重要參數，這些參數對於進行準確的用戶定位具有非常重要的作用。但為了便於相關用戶使用，GPS從一開始就公開了其導航電文的編排方式、數據定義和應用方法。這也意味著欺騙者往往可以比較輕鬆且有針對性的截獲和篡改相關導航數據，從而使得相關用戶在無察覺的情況下接收錯誤的導航數據進行定位解算，從而起到欺騙的目的。
（3）廣播信道無保護：為了確保用戶使用便利，GPS採用廣播式的通信模式，即向廣大用戶直接播發導航信號，這一模式實際上使得其通信信道直接暴露在社會空間中易受干擾、監聽和篡改。此外，由於GPS信號的到達地面時極其微弱（平均信號功率往往在-150dBW~-160 dBW），只需要較低的定向功率即可實現對合法GPS信號的干擾和壓制，這在客觀上也導致GPS信號在實際中更加脆弱。
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GPS欺騙技術的
主要類別
從目前情況來看，GPS欺騙技術主要可分為生成式欺騙、轉發式欺騙和航跡跟蹤式欺騙三大類，其中目前最常用的是前兩類。
1、轉發式欺騙技術
顧名思義，轉發式欺騙就是指在待欺騙目標周邊放置一臺GPS接收機，在獲取真實GPS信號的基礎上，進行存儲並轉發至待欺騙對象，從而起到欺騙的效果。
一般的，由於信號接收、存儲、處理和轉發等過程中不可避免的會出現信號到達延遲，因此按照延遲中有無人為延遲又可將轉發式干擾分為直接轉發式欺騙干擾和延遲轉發式干擾[1]：
- 其中直接轉發式欺騙干擾，即對真實衛星信號進行接收、放大後直接通過發射天線輻射出去，中間沒有人為的選擇性延遲。
- 延遲轉發式干擾在真實衛星信號的分離處理階段按照一定算法對不同的衛星信號進行選擇性人為延遲，以使欺騙目標生成偽導航星座，從而達到誘騙導航的目的。對衛星信號選擇性延遲由於各個衛星信號的延遲量不同，又可以分為各個衛星信號延遲量相同和各個衛星信號延遲量不相同。
由於轉發式欺騙干擾是直接轉發真實信號，這意味著只要能夠接收當前信號即可進行欺騙，因此不需要知道事先掌握信號偽碼結構，尤其是可以不用瞭解GPS 的M(Y)碼的具體實現細節，因此可以對軍用GPS信號進行直接欺騙。
但由於轉發式欺騙信號到達接收機的時延一定大於真實信號到的時延。同時轉發式欺騙干擾在欺騙過程中由於不能改變偽碼結構只改變偽距測量值，所以控制的靈活性相對較差。毛虎、吳德偉等人的研究表明[2]，為了確保轉發式干擾成功，往往需要較為複雜的轉發時延控制策略，同時對於轉發設備的部署位置也有一定的限制。對於已經實現GPS信號穩態跟蹤接收機，轉發式欺騙干擾由於其偽碼相位時鐘滯後於真實信號，因此只有當轉發信號與直達信號在目標接收機天線相位中心處的時延小於一個碼片時，轉發式欺騙才有效。
此外，有研究表明，由於GPS接收機一般會接收到多顆衛星信號（一般大於10路），因此在欺騙時往往需要接收並轉發多顆衛星信號，而實際中如果採用單站單天線的方式進行轉發， 往往無法實現同時轉發四路以上(不包括四路)衛星信號，同時需要將多路信號在一個轉發站進行轉發，往往導致轉發站體積龐大，轉發欺騙信號也極易被檢測出來。因此，轉發式欺騙的使用往往受到一定限制[3]。
2、生成式欺騙技術
生成式欺騙技術的基本原理如下圖所示：
對 GPS 的生成式欺騙干擾就是利用欺騙設備，根據預先指定的期望用戶位置，實時計算出在該位置上用戶所需接收到的GPS信號的碼相位延遲、載波多普勒、導航電文等必要參數，並在此基礎上生成在該點的虛假GPS信號並通過發射天線輻射到欺騙對象，以虛假信號的功率優勢遮蔽真實GPS信號，使其逐步跟蹤捕獲到欺騙信號指定的偽碼相位和載波多普勒上，從而使得待欺騙對象得到錯誤的偽距測量值，進而解算出錯誤的位置信息，最終達到欺騙目的。
顯然，生成式欺騙要求必須完全掌握 GPS 信號結構，如偽碼結構、導航電文等，所以難以對 P(Y)碼信號實施生成式欺騙。由於生成式欺騙干擾是利用自身設備生成欺騙信號並不依賴 GPS 系統，所以欺騙方可以自由決定導航電文和信號發射時間，這就使得欺騙信號既可以滯後也可以超前於真實信號達到接收機。所以生成式干擾可以通過改變到達實驗測量值和篡改衛星星曆/曆書等多種途徑對目標接收機實施欺騙。
此外，由於GPS信號實際上是以一定碼週期進行重複的直序擴頻信號，有研究表明：生成式欺騙信號可以在最長一個偽碼週期內（對GPS L1信號來說是1ms）與真實信號自動實現碼相位匹配，並通過稍高於真實信號的功率將接收機偽碼跟蹤環路牽引至跟蹤欺騙信號。
同時，由於欺騙信號偽碼的週期重複特性，如果在一個偽碼週期內欺騙不成功，該欺騙信號還可以自動在下一個偽碼週期實施牽引，直至成功引導目標接收機。一旦欺騙信號成功牽引目標接收機偽碼跟蹤環路，干擾方則可以通過調整其發射的欺騙信號偽碼相位控制目標接收機的定時定位結果，從而達到欺騙目標接收機的目的。
因此，這種方法對於當前接收機所處狀態的要求不高，既可以對處於捕獲狀態的接收機進行欺騙，也可以對處於穩態跟蹤狀態下的接收機進行欺騙。同時有研究表明，針對實際中帶寬有限的真實GPS信號，只要欺騙信號功率經多普勒損耗後高於真實信號就能成功牽引接收機偽碼跟蹤環路[4]，從而實施成功欺騙干擾。因此，生成式欺騙的實用性往往更強。
3、航跡跟蹤式欺騙技術
航跡跟蹤式欺騙主要針對實時飛行中的空中目標，一般由地面雷達等傳感器實時探測跟蹤飛行器的飛行軌跡，並通過數據鏈路將探測到的空中目標位置、速度等運動信息發送到欺騙設備。欺騙設備根據擬合的目標飛行軌跡、接收的衛星信號及欺騙軌跡，計算GPS信號應有的傳輸延遲及延遲變化率等必要參數並生成相關欺騙信號，以使被欺騙目標的GPS位置和速度逐步偏離真實值。
這種方法產生的欺騙信號與真實信號相比逼真度更高，不易被慣性導航系統等其它傳感器發現，同時由於一般採用多天線方式進行欺騙發射，因此偽裝能力更強，更加不易識別。但這種技術往往需要對待欺騙目標尤其是高動態目標的運動情況有連續、精確、完整的掌握並做到不被覺察，同時對於生成信號模擬精度的要求很高，因此在實際中有較大的實現難度。
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當前GPS欺騙技術的
主要應用案例
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。並且，由於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，並帶來戰鬥力和人員裝備的損失。
- 2011年12月4日，伊朗防空部隊宣稱他們採用欺騙技術在該國東部邊境俘獲的一架美國“RQ-170”無人偵察機。如果該報道屬實，那將是GPS欺騙技術的首次實戰應用[5]。
- 2012年6月，德克薩斯州立大學相關技術團隊在一個田徑場內成功演示了使用硬件成本還不到1000美元的GPS欺騙設備通過釋放欺騙干擾信號實時改變了一架小型無人機飛行路徑。後來，該團隊在美國白沙導彈靶場再次進行成功演示, 這更加刺激了美國政府和軍方的神經。
- 次年6月，該團隊為了演示了 GPS 欺騙干擾對航海交通工具的安全性威脅, 使用民用欺騙干擾設備釋放欺騙信號成功欺騙了一艘價值8000萬美元的私人豪華遊艇, 在欺騙攻擊下該遊艇逐漸偏離了預定航線[1]。
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小 結
從前文分析可見，當前GPS欺騙技術已經具備了較為明確的技術實施路徑，相關產品正在日益走向實用化，這無疑正對GPS系統的合法應用提出了全新的命題。需要說明的是，其它衛星導航系統，如伽利略、GLONASS、北斗等，由於它們的工作體制和信號樣式與GPS具有極大的相似性，對於這些系統而言，往往面臨著同樣的安全隱患。因此，如何有效的針對主要的欺騙技術提出必要的防範策略是當前衛星導航系統和技術發展的一個重要問題。
參考文獻
【1】邊少鋒, 胡彥逢*, 紀兵，GNSS 欺騙防護技術國內外研究現狀及展望，中國科學 : 信息科學 2017 年 第 47 卷 第 3 期
【2】毛虎，吳德偉，王永慶，閆佔傑，對 GPS 接收機的轉發欺騙干擾時延控制與運用策略分析，彈箭與制導學報，2018年 9月
【3】萬有達，基於固定重要目標保護的多站轉發 GNSS 欺騙干擾研究，國防科學技術大學學位論文，2016
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