顏靖華，侯 毅，宋 滔 ，周枚林，彭 亮，任春華

(1.中國人民公安大學，北京 100038;2.公安部科技信息化局，北京 100741;3.中國電子科技網(wǎng)絡信息安全有限公司，四川 成都 610041;4.重慶大學，重慶 400044)

0 引 言

近年來，隨著信息、控制、通訊等領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，硬件微型化、低功耗、低成本等技術(shù)進步，使得現(xiàn)代無人機具有小型化、輕量化、低成本、可控性好、適應性強、靈活性高、魯棒性好、功能齊全等優(yōu)點[1-2]，而且無人機在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。與此同時，由于無人機本身技術(shù)原因造成的安全隱患以及目的性的無人機入侵飛行，對國家領(lǐng)域領(lǐng)空、重要目標、公共場所、航空飛行、公民隱私[3]等安全帶來了潛在的巨大威脅。針對無人機使用的監(jiān)管以及對入侵無人機的反制也成為討論和研究的熱點。

世界各國現(xiàn)有的反無人機系統(tǒng)在類型、技術(shù)路線上都存在著差別。目前被主要采用的技術(shù)有電磁信號干擾、聲波干擾、激光武器、黑客入侵、物理捕獲等，這些技術(shù)研制的反無人機系統(tǒng)大致可分為干擾阻斷[4]、毀傷抓捕[5]和監(jiān)測控制[6]三大類。

目前，市面上的低空民用小型無人機通常都采用了GPS和MIMU組合的導航方式，利用MIMU短時間內(nèi)精度高的特點在GPS信號弱或受屏蔽情況下為無人機提供持續(xù)的導航功能，同時，有效的GPS信號可作為MIMU的參考，并對其進行修正。近幾年，針對高度低、速度慢、體積小、重量輕的低空無人機的探測與防護問題，科研人員開展了大量的研究和試驗，對于低空小型目標探測感知、無人機防護與壓制等技術(shù)取得了一些成果[7,8]。在欲防護的區(qū)域內(nèi)，通過持續(xù)朝無人機發(fā)射定向高功率的干擾RF信號，使無人機處于擾亂信號的屏障中，可以阻斷無人機接收遙控器的控制信號或?qū)Ш叫盘?。從而迫使無人機進入自動降落、自動返航或自動導航階段。即使無人機通信控制信號受到壓制，無人機仍可通過預先設定的航線或位置坐標繼續(xù)朝著既定目標前進，由此還需進一步對其采取導航干擾措施。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，基于GPS誘騙的思想成為了針對無人機導航系統(tǒng)常用的干擾策略。文獻[9]通過實時產(chǎn)生虛假的GPS 信號，并在該空間內(nèi)替代真實GPS 信號欺騙無人機改變其定位結(jié)果。該自主產(chǎn)生式欺騙干擾方法對于干擾信息的設置較為靈活，但需要破譯加密的GPS信號碼，技術(shù)實現(xiàn)較為復雜。文獻[10]提出的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾僅需對接收的GPS信號引入人為延時改變偽距值，從而影響定位解算，技術(shù)實現(xiàn)上相對容易。文獻[11] 針對GPS轉(zhuǎn)發(fā)式干擾存在定位跳變的問題，提出一種基于時延控制的GPS 轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾長距離飛行器的思想，通過雷達輔助探測和估計飛行器軌跡?，F(xiàn)有的基于延遲轉(zhuǎn)發(fā)的欺騙干擾研究將研究重點主要放在了對飛行器軌跡預測與探測、轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間討論、定位跳變討論上，并取得很好成果，但較少討論GPS和慣性器件組合導航的無人機系統(tǒng)在受到GPS欺騙干擾時的誤差分析和加入時延的偽距設置問題，也較少討論干擾衛(wèi)星數(shù)量問題。因此，本文圍繞低空民用小型無人機，結(jié)合目前較為成熟的無人機通信鏈路干擾技術(shù)，深入研究了切斷無人機通信鏈路后MIMU/GPS組合的GPS定位誘騙干擾問題，通過延遲轉(zhuǎn)發(fā)，人為改變可見衛(wèi)星到無人機的偽距值誘使無人機朝著錯誤的位置飛行, 研究目標是希望僅通過改變較少衛(wèi)星的偽距，實現(xiàn)在MIMU獨立定位誤差范圍內(nèi)較大拉偏定位誤差，從而達到有效誘騙，縮短誘騙引導其到達預定坐標的時間。本文重點研究了設置不同GPS偽距誤差情況下，對接收機定位的誘騙效果，并通過半實物仿真實驗進行了驗證。

1 無人機GPS欺騙干擾原理

1.1 GPS 定位原理

圖1 GPS定位原理

GPS 接收機通過測量信號從衛(wèi)星到該地的單向傳播時間，并代入位置解算算法確定接收機位置信息[12]。圖1表示了測定傳播時間的原理，如圖中所示，SVi表示GPS接收機同時接收到的各個衛(wèi)星，利用接收機復制碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼的相關(guān)技術(shù)，得到衛(wèi)星發(fā)射信號由衛(wèi)星到接收機的延時，再乘以電磁波的傳播速度可計算出衛(wèi)星距離接收機的偽距Pi，其中i表示衛(wèi)星編號，從衛(wèi)星信號的導航電文中可獲得各衛(wèi)星的位置(xi,yi,zi)。

聯(lián)立以下方程組即可求解接收機自身位置(x,y,z)。

(1)

按照求解方程未知數(shù)的思想，通常來說只需利用三顆導航衛(wèi)星的信號構(gòu)建方程組就可以確定接收機位置。然而實際環(huán)境下，偽距測量值因GPS信號傳輸過程中受到的電離層、對流層產(chǎn)生的時延以及衛(wèi)星和接收機鐘差的影響，三顆衛(wèi)星的解算結(jié)果誤差較大，因此，需要引入第四顆衛(wèi)星的觀測值進行修正，即需要同時觀測至少4顆GPS衛(wèi)星以實現(xiàn)精確定位。

1.2 GPS延遲轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾

GPS延遲轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾的方法是借助信號轉(zhuǎn)發(fā)干擾設備改變某一區(qū)域 GPS衛(wèi)星信號到達接收機的傳播時延，使接收機計算出帶有偏差的偽距值，最終導致接收機在進行位置解算的時候得到錯誤的自身位置信息。

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾模式下，干擾機無需從信號的內(nèi)容上對其接收到的各顆衛(wèi)星信號作改動，而是通過對各衛(wèi)星的信號添加不同的延時再進行信號功率增強處理最后轉(zhuǎn)發(fā)出去，使得在一定區(qū)域范圍內(nèi)的接收機接收到干擾機轉(zhuǎn)發(fā)的信號。由于干擾信號的幅度大于正常GPS衛(wèi)星信號，所以干擾信號更有可能被接收機捕獲，此時接收機就會計算出錯誤的距離信息ρi，可表示為：

ρi=Pi+ctu+cΔτi

(2)

式中，Δτi為添加的人為延遲，tu為衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層影像產(chǎn)生的延時。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾示意圖如圖2。

圖2 GPS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾示意圖

如圖2所示，S3表示GPS接收機直接接收到原始衛(wèi)星信號的路徑，虛線部分表示在轉(zhuǎn)發(fā)式干擾中GPS衛(wèi)星信號先經(jīng)過路徑S1達到干擾機添加延時然后經(jīng)過路徑S2至GPS接收機的信號傳遞過程。

實際的情況中，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾過程引入的時延包含兩部分，一個是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙而人為引入的延時，即人為時延；另一個是衛(wèi)星信號在傳播路徑中，因加入了干擾機這一環(huán)節(jié)，相較其直接達到GPS接收機多花費的時間，稱之為自然時延，該參數(shù)主要受到三者間相對距離的影響，可表示為：

(3)

對同一轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機而言，它所帶來的自然時延由接收機與其之間的距離決定，并且對于它轉(zhuǎn)發(fā)的所有衛(wèi)星信號其時延影響都是一樣的，此外，繼續(xù)通過對接收到的不同衛(wèi)星的信號添加自定義的人為時延，使得計算的對應衛(wèi)星的偽距觀測值出現(xiàn)偏差，最終導致GPS接收機解算出的位置信息發(fā)生改變，引入轉(zhuǎn)發(fā)式延時的情況下各衛(wèi)星偽距觀測值方程組為：

ctu+cΔτ+cΔτi

(4)

式中，i表示可接收到信號的衛(wèi)星編號，Δτ為自然時延，Δτi表示添加的人為時延。通過在每個時刻給每個衛(wèi)星信號加入不同的人為時延，從而使得GPS接收機解算的位置逐漸偏離，并通過逐步的誤差累積，使得其到達我們欲欺騙的位置，達到欺騙目的，可通過圖3中模型確定設置人為時延[13]。

圖3 人為時延設置模型圖

如圖3所示，衛(wèi)星與欲欺騙位置偽距為ρ′，干擾系統(tǒng)與衛(wèi)星偽距為ρ″，GPS接收機與干擾系統(tǒng)間相距ΔS。由前面的分析可得，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾系統(tǒng)后的偽距測量值為式(4)。

使接收機偽距測量值為欲欺騙位置，另ρi=ρ′i，即：

ctu+cΔτ+cΔτi=ρi

(5)

根據(jù)前面可得：

ctu+cΔτ=ρi+c+Δ+S

(6)

故：

(7)

在無人機干擾系統(tǒng)部署固定后，可根據(jù)上述方法為GPS 信號引入預先設定的人為時延，從而實現(xiàn)將 GPS 接收機錯誤的定位到選定的欲欺騙位置[14]。然而，在實際應用中有可能計算出需要引入負時延的情況，這個問題可以通過對所轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星信號同時加入一個公共時延T來解決。

用τmin表示計算出的最小的人為轉(zhuǎn)發(fā)時延Δτi，即：

τmin=min{τ1,τ2,…τi}

(8)

若τmin≥0，則不需設置公共延時，當τmin<0時，設置補償?shù)墓矔r延為-τmin，即：

(9)

最終確定的人為時延為：

Δti=Δτi+T

(10)

1.3 無人機慣性導航位置誤差方程

無人機捷聯(lián)慣性傳感器推算的數(shù)學位置誤差微分方程為：

(11)

2 干擾仿真實驗及結(jié)果分析

2.1 GPS延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾實驗

為了研究在不被無人機慣性系統(tǒng)識別出定位跳變前提下，驗證通過改變不同衛(wèi)星的偽距值達到較大的拉偏定位誤差，開展了接收機定位測試實驗。實驗設備包括：SOUTH接收機、八頻信號轉(zhuǎn)發(fā)器、一分四信號分線器，實驗設備連接如圖4所示。實驗室樓頂基站接收到衛(wèi)星信號，通過線纜牽引入室內(nèi)連接一分四信號分線器，分線器的接口1連接八頻信號轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的室外衛(wèi)星信號經(jīng)濾波、放大、發(fā)射等過程，將有效信號轉(zhuǎn)發(fā)至室內(nèi)，解決室內(nèi)無法接收到信號的問題。分線器的接口2連接SOUTH接收機，分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測,并將衛(wèi)星信號上傳至服務器。通過在電腦端訪問接收機固定IP，登陸用戶界面即可進行實時的衛(wèi)星信息顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋脩艚缑嫘畔⑷鐖D5、圖6所示。

圖4 實驗設備連接圖

圖5 用戶界面星空圖

圖6 接收機定位坐標圖

由于偽造GPS信號欺騙接收機的方式實現(xiàn)難度較大且較易被接收機檢測出異常導致無法完成欺騙干擾，本次實驗重點研究了GPS延遲轉(zhuǎn)發(fā)式的欺騙干擾方式。其基本思想是對接收到的GPS衛(wèi)星信號添加人為時延，再轉(zhuǎn)發(fā)給目標接收機，使得接收機得到有偏差的偽距信息并在進行位置解算時得到錯誤的位置結(jié)果。本實驗具體開展中直接通過對接收機偽距加入人為誤差的方式研究在不同偽距誤差情況下接收機定位的表現(xiàn)，這種方式與對信號引入人工時延的作用是等效的。

仿真試驗中，依據(jù)實際條件(時間、天氣等)的變化實驗室基站所能接收到的GPS衛(wèi)星顆數(shù)介于6～9顆之間，而GPS定位至少需要四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)精確定位。只有在有效定位的情況下無人機才會借助于衛(wèi)星進行導航，在此情況下才可順利實現(xiàn)GPS欺騙干擾，而且現(xiàn)代無人機通常融合了慣性導航技術(shù)[15]，一旦切換進入慣性導航狀態(tài)則GPS干擾效果將會受到影響，盡管無人機單獨依靠慣性傳感器將不能達到應有的導航精度已經(jīng)一定程度上對其飛行任務造成干擾破壞，但由于這種情況增加了無人機飛行的不確定性，同時使得干擾變得不可控，無法達到GPS誘騙干擾的目的。因此在實驗中不僅要保證衛(wèi)星顆數(shù)足夠?qū)崿F(xiàn)有效定位，還要避免加入偽距誤差的衛(wèi)星信號因為偏差過大，而被接收機檢測出異常，使得無人機不采用該顆衛(wèi)星信號，造成欺騙失敗。為了驗證在一定范圍內(nèi)的偽距誤差對接收機定位誤差的表現(xiàn)，本次實驗研究了單顆衛(wèi)星在設置不同偽距誤差下，接收機定位誤差的表現(xiàn)，以及多顆衛(wèi)星在設置不同偽距誤差下，接收機定位誤差的表現(xiàn)情況。實驗時加入偽距誤差的衛(wèi)星編號隨機選擇，分別對該衛(wèi)星增加了10 m、20 m、30 m的偽距誤差，在每種試驗下對每一個偽距誤差都分別統(tǒng)計了50個點以上的接收機定位位置，接收機的定位結(jié)果圖如圖7～圖9所示，該圖通過接收機用戶服務系統(tǒng)實時顯示。

圖7 單顆衛(wèi)星加入偽距誤差后定位結(jié)果

圖8 兩顆衛(wèi)星加入偽距誤差后定位結(jié)果

圖9 三顆衛(wèi)星加入偽距誤差后定位結(jié)果

圖7中(1)、(2)、(3)分別表示單顆衛(wèi)星信號加入偽距誤差為10 m、20 m、30 m后的接收機定位結(jié)果(圖中藍色框所示部分)與未加入偽距誤差前定位結(jié)果(圖中綠色框所示部分)；圖8中(1)、(2)分別表示兩顆衛(wèi)星信號加入偽距誤差為10 m、20 m后的接收機定位結(jié)果(圖中藍色框所示部分)與未加入偽距誤差前定位結(jié)果(圖中綠色框所示部分)，偽距誤差增加到30 m后部分時刻無法定位故不在此處列出；圖9中(1)、(2)分別表示三顆衛(wèi)星信號加入偽距誤差為10 m、20 m后的接收機定位結(jié)果(圖中藍色框所示部分)與未加入偽距誤差前定位結(jié)果(圖中綠色框所示部分)，偽距誤差增加到30 m后部分時刻無法定位故不在此處列出。從圖中可以看出改變某顆衛(wèi)星偽距后，接收機是否還能成功定位，以及判斷改變偽距的衛(wèi)星信號是否被接收機所使用，通過估算改變衛(wèi)星偽距后接收機定位位置與改變前的最大偏移，比較不同實驗條件下接收機定位誤差的影響程度。此外，還統(tǒng)計了各實驗條件下接收機定位位置的極差，來比較接收機定位的離散程度，這也是評價GPS欺騙干擾影響接收機定位效果的重要參考。實施GPS欺騙的目的是要將GPS誘騙至一個確定的錯誤位置，一旦接收機定位位置離散程度較大會使得接收機定位不可控，從而影響GPS欺騙效果。對單顆和多顆衛(wèi)星加入不同偽距誤差后接收機定位結(jié)果的統(tǒng)計如表1、表2所示。

表1 單顆衛(wèi)星設置不同偽距誤差下接收機定位結(jié)果

表2 多顆衛(wèi)星設置不同偽距誤差下接收機定位結(jié)果

2.2 GPS延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾實驗結(jié)果分析

從實驗結(jié)果可以看出，兩種實驗中衛(wèi)星信號加入不同偽距誤差后對比正常衛(wèi)星信號的接收機定位結(jié)果均出現(xiàn)一定偏移。單顆衛(wèi)星加入10 m偽距誤差接收機定位最大偏移約為2 m，定位點極差約為1 m；在加入20 m偽距誤差時接收機定位最大偏移超過4 m，定位點極差約為2 m；而繼續(xù)增大偽距誤差到30 m后接收機定位最大偏移降至0.4 m，定位點極差為0.6 m。對兩顆衛(wèi)星加入10 m偽距誤差后接收機定位最大偏移超過7 m，定位點極差約為1 m；偽距誤差增大到20 m后接收機定位最大偏移超過12 m，定位點極差約為2.5 m；而繼續(xù)增大偽距誤差到30 m后接收機定位出現(xiàn)部分時刻無法定位的情況。對三顆衛(wèi)星加入10 m偽距誤差后接收機定位最大偏移超過3 m，定位點極差約為1 m；增大偽距誤差到20 m后接收機定位最大偏移超過12 m，定位點極差約為4 m；而繼續(xù)增大偽距誤差到30 m后接收機定位出現(xiàn)部分時刻無法定位的情況。

由此說明在一定范圍內(nèi)隨著加入的偽距誤差的增大，在可成功定位情況下接收機的定位偏差逐漸增大，但超過該范圍后，繼續(xù)增大偽距誤差將使得該衛(wèi)星信號不被采用，反而提高了接收機定位精度。同時，在可成功定位情況下，增加改變偽距的衛(wèi)星顆數(shù)，也會使得接收機的定位偏差逐漸增大。但增加改變偽距的衛(wèi)星顆數(shù)后，會加大定位點的離散程度，同時改變多顆衛(wèi)星偽距的實現(xiàn)難度也會更大，甚至出現(xiàn)某些時刻接收機無法成功定位的問題，使得將無人機誘騙至確定位置的可控性變?nèi)?。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)有消費級民用無人機慣性定位的誤差(大約在3～15 m甚至更大)，疊加GPS前一時刻本身定位誤差約5 m左右，計算取MIMU最小誤差，可得GPS欺騙定位誤差在8 m內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)有效欺騙，從實驗統(tǒng)計表1、表2可見，選擇兩顆衛(wèi)星加入10～20 m 之間的偽距誤差可以有效避免GPS欺騙干擾的定位突變問題并且使定位誤差達到最大。采用以上方案再通過連續(xù)施加人為時延，可將無人機誘騙至遠離目標位置的欲欺騙位置。

3 結(jié) 語

無人機技術(shù)是革命性的科技和新興的產(chǎn)業(yè)，伴隨其繁榮發(fā)展而來的是多機“黑飛”和濫用等危害極大的社會問題，本文圍繞低空民用小型無人機，結(jié)合目前較為成熟的無人機通信鏈路干擾技術(shù)，深入研究了切斷無人機通信鏈路后MIMU/GPS組合的GPS定位誘騙干擾問題，本文重點研究了通過改變較少衛(wèi)星偽距的情況下，在MIMU獨立定位誤差范圍內(nèi)達到較大拉偏定位誤差，并通過半實物仿真實驗進行了驗證。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)衛(wèi)星信號加入不同偽距誤差后對比正常衛(wèi)星信號的接收機定位結(jié)果均出現(xiàn)一定偏移，而偽距誤差繼續(xù)加大超出該范圍后反而使得定位誤差降低，由此可見偽距誤差加入過大會被接收機檢測出異常而判定該衛(wèi)星信號無效；同時，增加改變偽距的衛(wèi)星顆數(shù)后會加大接收機定位點的離散程度，甚至出現(xiàn)接收機無法正常定位等問題；結(jié)合對無人機慣性定位的誤差分析，選擇兩顆衛(wèi)星加入10～20 m之間的偽距誤差可以有效避免GPS欺騙干擾的定位突變問題并且使定位誤差達到最大，從而達到有效誘騙，縮短引導其到達預定坐標的誘騙時間。

本研究所提出的欺騙方法可融合無人機通信鏈路干擾技術(shù)構(gòu)建反制無人機系統(tǒng)，適用于在切斷無人機與地面控制臺通信后仍按照預定任務目標飛行的低空民用無人機，通過簡單、經(jīng)濟的GPS欺騙方式將無人機誘騙至指定區(qū)域，本文已通過實驗驗證了改變衛(wèi)星信號偽距對接收機定位的誘騙效果，為后續(xù)對誘騙軌跡研究和對不少于一個無人機的同時誘騙打下基礎(chǔ)。