劉清秀，程 玉，王國棟，馬永犇，陳 帥

(1.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京210094；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

從1991年的海灣戰(zhàn)爭到后來的科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭，衛(wèi)星導(dǎo)航制導(dǎo)武器的權(quán)重越來越高，分別達(dá)到了7.7%、30%、60%、90%和 100%[1]。然而伊朗事件后，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)充分暴露了其信號弱、極易受到干擾的特性。蓄意的人為干擾中，欺騙干擾最為隱秘，其安全隱患最大，造成的損失也不可估計。

2020年，我國獨立自主運(yùn)行控制的國家時空基礎(chǔ)設(shè)施(北斗導(dǎo)航系統(tǒng))正式建成并投入運(yùn)行，在空中、海上和地面運(yùn)輸、警察和救援服務(wù)、金融授時、移動電話定位以及跟蹤犯罪者領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。為了打破我國基礎(chǔ)設(shè)施或武器系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡體系，這種廣泛使用的系統(tǒng)正成為恐怖分子和敵對方越來越有吸引力的干擾目標(biāo)。目前，國家有關(guān)部門已將北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展列入國家“十四五”規(guī)劃重點項目，在北斗賦能智慧城市建設(shè)、人民美好生活觸手可及的時代，我們要積極強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施的安全屏障能力。

國外研究欺騙與抗欺騙技術(shù)應(yīng)用開展時間較早，典型國家以美國和俄羅斯為主。美國針對不同武器裝備對GPS終端設(shè)備的不同應(yīng)用場合進(jìn)行針對性抗干擾能力設(shè)計，形成了種類繁多的GPS抗干擾設(shè)備，有效增強(qiáng)了國防武器的精準(zhǔn)打擊能力和抗打擊能力。俄羅斯對欺騙技術(shù)研究起步較早，早在伊拉克戰(zhàn)爭中就向伊軍提供了GPS干擾機(jī)，在其他一些戰(zhàn)爭中也出現(xiàn)過俄羅斯提供干擾機(jī)的影子，這有效保護(hù)了重要戰(zhàn)略設(shè)施和軍事目標(biāo)[2]。中國學(xué)者也相繼在欺騙干擾怎么影響接收機(jī)的基礎(chǔ)上開展了抗欺騙技術(shù)的研究，為構(gòu)建安全的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航體系夜以繼日地工作。本文針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)易受欺騙的脆弱性，總結(jié)了當(dāng)前欺騙技術(shù)與抗欺騙技術(shù)現(xiàn)狀并展望未來，希望能為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)防御體系奉獻(xiàn)綿薄之力。

1 欺騙技術(shù)

欺騙技術(shù)是指：產(chǎn)生和真實衛(wèi)星信號相似的虛假信號，在目標(biāo)接收機(jī)接收信號的過程中和真實信號一同混入被接收機(jī)處理，欺騙設(shè)備以靈活的欺騙算法實現(xiàn)了以假亂真的干擾效果。因為欺騙信號本身的信號特點使得它隱蔽性極高，不易被傳統(tǒng)的接收機(jī)發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]為了說明GPS信號實際上有多弱，和燈泡進(jìn)行了類比：一個標(biāo)準(zhǔn)的100W燈泡比接收器天線處的GPS衛(wèi)星信號強(qiáng)1018倍，可見衛(wèi)星信號的微弱程度。GPS接收器天線所需的干擾功率無需很強(qiáng)即可有效，同理也是北斗衛(wèi)星的固有特性。欺騙干擾又分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾、生成式欺騙干擾和兩者的混合式干擾。Jafarnia-Jahromi等[2]對生成式欺騙技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)實現(xiàn)的難易程度又分為初級、中級和高級欺騙技術(shù)。而文獻(xiàn)[4]根據(jù)欺騙信號是否順利被GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路鎖定而不會失鎖，將欺騙技術(shù)分為軟欺騙和硬欺騙，并提出了一種自適應(yīng)GPS欺騙技術(shù)，用于管控黑飛無人機(jī)。文獻(xiàn)[5]提到了一種完全抑制真實信號的技術(shù)，只要產(chǎn)生在目標(biāo)接收天線相位中心處和真實信號幅度相反、相位相同的欺騙信號，且欺騙信號與真實信號載波相位差不超過18°就可以抑制真實信號。針對欺騙生成器價格昂貴且難復(fù)現(xiàn)，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于矢量跟蹤的軟件接收機(jī)欺騙生成器，具有可編程性和多樣性。綜上所述，盡管各種欺騙技術(shù)的實現(xiàn)算法和方式不一樣，但要實現(xiàn)的目的大同小異，可以歸納成以下幾種典型欺騙形式。

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙技術(shù)

顧名思義，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙手段就是通過轉(zhuǎn)發(fā)的形式傳播干擾信號。欺騙原理為：欺騙設(shè)備接收真實的衛(wèi)星信號，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r延和功率放大后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，被目標(biāo)接收機(jī)接收到，達(dá)到干擾目標(biāo)接收機(jī)授時、定位和導(dǎo)航的目的，具體如圖1所示。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾欺騙手段相對簡單，應(yīng)用場景較多，它的信號特征相對好提取，時延就是它的固有屬性，因此容易被識別，它在捕獲通道的特征是產(chǎn)生一前一后兩個峰值。傳統(tǒng)接收機(jī)大多采用線性搜索算法，為了節(jié)約捕獲時間和系統(tǒng)資源，在捕獲超過閾值后即進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，不會再往下搜索，導(dǎo)致誤捕率較高，但對有延時的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號理論有效。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾示意圖Fig.1 Schematic diagram of forwarding deception jamming

1.2 生成式欺騙技術(shù)

(1)初級欺騙技術(shù)

初級欺騙干擾設(shè)備產(chǎn)生的欺騙信號較簡單，類似于噪聲。因為它不需要接收真實信號，也不需要考慮信號同步的問題，只要其功率大于真實信號，就可以影響接收機(jī)的捕獲性能或?qū)е赂櫗h(huán)路失鎖，在重新捕獲階段捕獲到欺騙信號達(dá)到欺騙的目的，可將其稱為衛(wèi)星信號模擬器的欺騙技術(shù)。模擬器產(chǎn)生一個模擬信號，通過轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)出去即可實現(xiàn)。2003年，瓦爾納教授就利用GPS信號模擬器成功誘騙了經(jīng)過隧道的目標(biāo)卡車[7]。

(2)中級欺騙技術(shù)

中級欺騙技術(shù)的實現(xiàn)較初級欺騙要復(fù)雜，它不僅要接收真實的衛(wèi)星信號，還要使得欺騙信號與真實信號保持同步。欺騙手段是利用雷達(dá)等外部輔助設(shè)備監(jiān)測到目標(biāo)接收機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，實時注入到欺騙設(shè)備，欺騙設(shè)備根據(jù)當(dāng)前自身的位置和雷達(dá)等設(shè)備提供的參數(shù)進(jìn)行自身的參數(shù)馴服，等達(dá)到穩(wěn)定時刻發(fā)出誘騙信號，借助信號功率較強(qiáng)的優(yōu)勢，一般會順利切入環(huán)路，掌控環(huán)路主動權(quán)，后以一定的速度參數(shù)按一定方向逐漸剝離真實信號參數(shù)，使得目標(biāo)接收機(jī)被誘騙，具體如圖2所示。這種欺騙手段很難被發(fā)現(xiàn)，但精確知道目標(biāo)接收機(jī)的三維位置和速度，且不引起接收機(jī)較大波動并不容易，涉及到較復(fù)雜的模型，如圖3所示的欺騙信號切入環(huán)路到剝離的過程。目前，存在的欺騙設(shè)備多數(shù)采用單天線中級欺騙技術(shù)，即輸出結(jié)果沒有明顯異樣的無感欺騙，但通道內(nèi)部是以毫秒(ms)為單位進(jìn)行運(yùn)算，可以敏感感知信號的變化，利用這些變化可以做欺騙信號的檢測，因此無感欺騙技術(shù)還在路上。

圖2 生成式欺騙干擾示意圖Fig.2 Schematic diagram of generative deception jamming

圖3 中級欺騙示意圖Fig.3 Schematic diagram of intermediate deception

(3)高級欺騙技術(shù)

高級欺騙技術(shù)是目前實現(xiàn)最復(fù)雜、最有效的欺騙手段，它利用多個協(xié)同欺騙設(shè)備搭建真實的衛(wèi)星分布環(huán)境，對陣列天線接收機(jī)實施有效的欺騙。但這種類型的欺騙有效范圍要有限得多，原因是載波相位對齊和陣列流形同步可能僅在目標(biāo)接收機(jī)天線所在的非常小的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)。此外，相對于目標(biāo)接收機(jī)天線的欺騙天線放置有一些物理限制。因此，由于目標(biāo)接收機(jī)天線的幾何形狀和運(yùn)動，實現(xiàn)這種類型的欺騙非常困難并且在許多情況下是不可能的。所以，高級欺騙技術(shù)目前還只在理論基礎(chǔ)層面，如果被工程實現(xiàn)，將會成為未來最重要的干擾模式，特別是可為軍事領(lǐng)域提供堅韌的防護(hù)盾，保護(hù)重要軍事基地和高級領(lǐng)導(dǎo)人等，這將是未來欺騙技術(shù)的重點研究方向。

1.3 欺騙效果分析

如表1所示，對各類欺騙方式的欺騙效果、實現(xiàn)難度、欺騙范圍等方面進(jìn)行比對，針對不同的欺騙技術(shù)，其實現(xiàn)的難易導(dǎo)致其成本上的不同，實現(xiàn)復(fù)雜度會對達(dá)到欺騙效果的范圍有所限制，一般實現(xiàn)上越復(fù)雜的欺騙設(shè)備其欺騙效果越好，越不易被發(fā)現(xiàn)。

表1 欺騙類型對比Table 1 Comparison of deception types

2 抗欺騙技術(shù)

目前，研究的抗欺騙技術(shù)分兩步走，即欺騙信號的檢測和欺騙信號的抑制或消除。其中，根據(jù)接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可從信號體制、陣列天線、信號處理層和信息處理層進(jìn)行欺騙信號的檢測和抑制。下面從導(dǎo)航終端設(shè)備信號處理層的抗欺騙技術(shù)進(jìn)行介紹，信號處理層又可細(xì)分為捕獲層和跟蹤層，信號處理圍繞著欺騙信號和真實信號的疊加信號與真實信號不同之處展開。接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of receiver internal structure

2.1 捕獲層

(1)基于三維空間壓縮域的抗欺騙技術(shù)

目標(biāo)接收機(jī)在捕獲階段受欺騙，主要有兩種狀態(tài)：1)在接收機(jī)未開機(jī)前就存在欺騙信號；2)接收機(jī)正常定位后受到欺騙攻擊。文獻(xiàn)[8]提出第一種狀態(tài)可用殘留信號防御(Vestigial Signal Defense，VSD)技術(shù)檢測欺騙，第二種則用此文獻(xiàn)提出的三維空間壓縮域技術(shù)。該技術(shù)是針對先壓制后欺騙的欺騙手段提出的，其原理就是：在接收機(jī)失鎖后，根據(jù)失鎖前保存的信息和本地時鐘的守時精度壓縮三位搜索的范圍，使得接收機(jī)排除欺騙信號而快速鎖定真實信號。文獻(xiàn)作者分析了該技術(shù)的計算誤差和抗欺騙效果的關(guān)系，得到其壓制干擾時間和量測值估計誤差成正比，真實信號檢測概率與抗欺騙效果是一對矛盾關(guān)系和量測值估計誤差與該技術(shù)有效性成正比的結(jié)論。該方法較簡單，實現(xiàn)容易，但對欺騙信號較為限制，不適用于現(xiàn)在靈活的欺騙手段。

(2)基于斜率的檢測技術(shù)

真實環(huán)境下，欺騙信號無法在攻擊開始就對齊真實信號，在逐漸對齊的過程中，也會出現(xiàn)相位偏差。存在兩種狀態(tài)：1)欺騙信號碼相位和真實信號碼相位相差±2的碼片；2)與狀態(tài)1正相反，兩者偽碼偏差在±2碼片之內(nèi)。第一種情況會產(chǎn)生兩個相關(guān)峰，這時通過檢測相關(guān)峰值個數(shù)識別是否存在欺騙信號。第二種情況產(chǎn)生畸形的相關(guān)峰，這時可以通過檢測相關(guān)峰的斜率情況判斷欺騙信號是否存在，標(biāo)記被欺騙的通道和衛(wèi)星編號，如圖5所示。文獻(xiàn)[9]提出了一種斜率檢測技術(shù)，就是針對欺騙信號影響下接收機(jī)捕獲相關(guān)峰畸形提出的，由于欺騙信號和多徑信號相似，會造成誤判。此文獻(xiàn)又提出了改進(jìn)的斜率檢測技術(shù)，利用Neyman-Pearson準(zhǔn)則來設(shè)定合理的欺騙檢測門限值，實現(xiàn)了多徑情況下的欺騙檢測，最后得出以下結(jié)論：在無多徑的環(huán)境下，改進(jìn)斜率檢測法在信噪比較低或欺騙信號放大倍數(shù)較小的情況下欺騙檢測概率相較于傳統(tǒng)斜率檢測法要低，但仍維持檢測概率在96%以上，多徑情況下傳統(tǒng)的斜率檢測技術(shù)虛警概率幾乎100%，而改進(jìn)后依舊可以保持較低的虛警率。由于此虛警率和信噪比成反比，所以不適用于復(fù)雜環(huán)境。

圖5 捕獲結(jié)果示意圖Fig.5 Schematic diagram of acquisition results

(3)基于捕獲算法的抗欺騙技術(shù)

文獻(xiàn)[10]總結(jié)了兩種針對捕獲階段的抗欺騙算法。一種是基于上下限閾值的捕獲算法來檢測真實信號非相干包絡(luò)值，這是由于欺騙信號為了快速鎖定環(huán)路，其功率都比真實信號高。在長期觀測并統(tǒng)計的基礎(chǔ)上設(shè)定真實衛(wèi)星信號的非相干積分值閾值上下限，超過閾值則判斷為欺騙信號，發(fā)出預(yù)警，否則正常，但對于功率開始低于真實信號而在跟蹤環(huán)路才慢慢升高的隱蔽式欺騙技術(shù)無效。另一種是基于外部信息輔助的捕獲算法，此原理是依靠外部設(shè)備推算得到的量測信息和GNSS實得量測信息進(jìn)行一致性對比，此方式需要高精度的外部設(shè)備輔助，成本過高。

2.2 跟蹤層

(1)基于信噪比／載噪比測量的欺騙檢測技術(shù)

欺騙信號的入侵會增加噪聲基底，文獻(xiàn)[11]在此影響下提出了利用信噪比(SNR)檢測技術(shù)識別欺騙干擾。通過欺騙信號模型和實驗分析欺騙信號對接收機(jī)的影響，得到欺騙信號的存在會抬高噪聲基底使得信噪比波動的結(jié)論，以此作為檢測手段可以有效檢測欺騙信號。文獻(xiàn)[12]也提出了基于載噪比統(tǒng)計的衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾檢測方法，利用欺騙信號的存在會導(dǎo)致載噪比波動的特點，該方法硬件復(fù)雜度低且易實現(xiàn)。同理，若接收機(jī)射頻模塊采用自動增益放大器，噪聲基底增加也會導(dǎo)致信號幅度的變化，因此幅度也可作為一個檢測量，如圖6所示。

圖6 欺騙信號對接收機(jī)捕獲和跟蹤信號的影響Fig.6 Influence of deception signal on acquisition and tracking signal of receiver

(2)基于Doppler估計的抗欺騙技術(shù)

衛(wèi)星在空中的分布情況導(dǎo)致各衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的方向不一致，而對于單天線發(fā)射的欺騙源，它發(fā)射的信號到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的方向卻是一致的。文獻(xiàn)[13]就針對這個特點提出了一種基于Doppler頻率估計的彈載接收機(jī)抗欺騙干擾方法：先分析得到欺騙干擾模型和Doppler分析，得出同一方向信號的Doppler頻率變化率相似，然后利用殘留信號檢測技術(shù)檢測可能被欺騙的通道，對標(biāo)記通道進(jìn)行Doppler變化相似性判斷，存在欺騙信號則剔除，真實信號通道參數(shù)進(jìn)行量測值的組裝用于定位解算。在一兩顆星欺騙情況下可以有效排除欺騙信號的干擾，但在全星欺騙場景下該技術(shù)會受到限制。

(3)殘留信號檢測技術(shù)

殘留信號檢測技術(shù)[14]的首要條件是欺騙信號無法完全抑制真實信號，接收機(jī)可以同時接收真實信號和欺騙信號。檢測分成兩個階段：捕獲階段和跟蹤階段。捕獲階段：接收機(jī)檢測到多個相關(guān)峰或峰值畸形，經(jīng)檢測算法后判定為欺騙信號，則標(biāo)記該通道并分配兩個跟蹤環(huán)路進(jìn)行兩個信號參數(shù)的跟蹤鎖定，提取量測信息用于后續(xù)處理。跟蹤階段：在跟蹤信號的周圍搜索是否有超過閾值的信號，當(dāng)受到欺騙時提取該通道所有信號的參數(shù)，利用欺騙參數(shù)重構(gòu)欺騙波形進(jìn)行欺騙信號的消除。文獻(xiàn)[15]對其的仿真驗證了該方法的可行性，但若最初跟蹤到的是欺騙信號，則會適得其反，使得真實信號被消除掉。

(4)基于復(fù)合信號質(zhì)量監(jiān)測(SQM)方差的檢測技術(shù)

文獻(xiàn)[16]分析了欺騙信號的模型，針對欺騙信號以恒定功率優(yōu)勢高于真實信號的欺騙場景提出了基于復(fù)合SQM方差的檢測技術(shù)，該技術(shù)是峰值斜率算法和信號幅度算法的線性組合。由于欺騙信號的切入會引起碼環(huán)輸出波動、相關(guān)峰畸形和幅度變化，所以根據(jù)碼環(huán)的相關(guān)累積值計算得到SQM方差，并加入了滑動窗口，當(dāng)超過檢測門限即判定為欺騙信號。文獻(xiàn)作者對復(fù)合算法和單一算法進(jìn)行了比較，驗證了復(fù)合算法的有效性，在10s時間內(nèi)欺騙識別率達(dá)83%以上。

綜上所述，從射頻信號中監(jiān)測到欺騙信號，大多是依靠信號質(zhì)量來識別的，如信噪比、載噪比、功率、幅度、峰值斜率和跟蹤誤差。首先針對一種欺騙場景提出單個技術(shù)，后利用多種技術(shù)融合防御多種欺騙場景。欺騙技術(shù)和抗欺騙技術(shù)不斷更新，但都圍繞著欺騙信號產(chǎn)生的某一個特征進(jìn)行算法的研究和優(yōu)化。

“欺騙與被欺騙”在戰(zhàn)場上屢見不鮮，前有“明修棧道，暗度成倉”的典故，后有伊朗誘捕美軍軍事戰(zhàn)機(jī)案例?？蛊垓_的目的既是為了檢測到欺騙信號，更是為了消除欺騙信號的影響。針對信號層面，詳細(xì)介紹了信號的檢測到構(gòu)建欺騙信號參數(shù)用于抑制和消除欺騙信號，下面將其他方法進(jìn)行簡單介紹。

文獻(xiàn)[17]介紹了GPS遭受位置、速度和時間(PVT)欺騙存在的被欺騙特征分析，在完好性自主監(jiān)測技術(shù)失效情況下，防欺騙遺漏索引(Vulnerability Index Against Spoofing，VIAS)技術(shù)可以發(fā)揮作用。文獻(xiàn)[18]針對電力公司遭受欺騙攻擊引起的時間跳變提出了應(yīng)用多點定位技術(shù)，只允許一組GPS接收器接收到錯誤的GPS信號源，多個接收設(shè)備協(xié)同工作來抵御欺騙信號的攻擊。文獻(xiàn)[19]設(shè)計了一款抗欺騙GPS接收機(jī)(Spoofing Resistant GPS Receiver，SPREE)，利用輔助峰值跟蹤(Auxiliary Peak Tracking，APT)和導(dǎo)航信息檢查器(Navigation Message Inspector，NAVI)技術(shù)能檢測到現(xiàn)存的全部欺騙手段。文獻(xiàn)[20]設(shè)計了一種多設(shè)備欺騙檢測系統(tǒng)，針對多設(shè)備協(xié)同欺騙可實現(xiàn)低于1%的誤報率。文獻(xiàn)[21]針對定向天線的衛(wèi)星接收機(jī)提出了一種用擴(kuò)展Kalman濾波器估計信號到達(dá)方向的方式，以檢測不同方向的欺騙信號。文獻(xiàn)[22]從“Humphreys利用價值數(shù)千美元的欺騙設(shè)備成功欺騙8000萬美元的超級游艇”出發(fā)展開了欺騙信號對國家和公司威脅的討論，且比利時Leuven大學(xué)的研究人員Ashur和Rijmen表示他們已經(jīng)開發(fā)出了一種身份驗證協(xié)議來阻止偽造Galileo導(dǎo)航數(shù)據(jù)，但對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙無效。文獻(xiàn)[23]提出了一種基于硬件振蕩器的新型GPS欺騙檢測方案，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他計算能力有限的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中。文獻(xiàn)[24]針對欺騙信號切入會引起時間跳變的問題提出了芯片級原子鐘輔助的慣性／衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙檢測方法，利用原子鐘的高精度守時能力在時間域內(nèi)檢測欺騙信號。文獻(xiàn)[25]探討了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的抗GPS欺騙系統(tǒng)的可行性，利用信噪比數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型參數(shù)，其模型準(zhǔn)確度最高可達(dá)98%。文獻(xiàn)[26]介紹了國外學(xué)者Sathaye等研發(fā)的一種單天線、獨立的GPS接收器(SemperFi)，即使在欺騙攻擊期間，它也能夠跟蹤真實GPS衛(wèi)星信號并估計真實位置。SemperFi由基于連續(xù)干擾消除的專門設(shè)計的算法和模塊組成，能夠恢復(fù)被強(qiáng)大對手完全掩蓋的真實GPS信號。通過實驗評估表明，SemperFi可以從無感欺騙攻擊(攻擊者的功率優(yōu)勢可高達(dá)15dB)中恢復(fù)，精度為100m。SemperFi還可以作為一個可插拔模塊，該模塊能夠得到真實的GPS信號供目標(biāo)設(shè)備使用，較為靈活，不需要占用自身設(shè)備資源，SemperFi結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 帶有對抗性峰值標(biāo)識符和真實信號檢索器的SemperFi示意圖Fig.7 Schematic diagram of SemperFi with adversarial peak identifier and legitimate signal retriever

3 欺騙與抗欺騙技術(shù)展望

作為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，北斗也同樣存在著被欺騙的風(fēng)險，但各無線電導(dǎo)航系統(tǒng)之間相互兼容，抗欺騙技術(shù)也適用于北斗。GPS在前期未考慮抗干擾功能，而北斗在前人的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，既考慮了抗干擾功能，又有獨一無二的短報文通信功能。在新時代，北斗賦能各行各業(yè)，國家鼓勵 “北斗＋”、“＋北斗”技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)北斗與物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、人工智能、5G通信、區(qū)塊鏈等戰(zhàn)略前沿技術(shù)的交叉融合，推動北斗融入新基建，催生新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，力爭到“十四五”末期，實現(xiàn)北斗產(chǎn)業(yè)化向更寬范圍、更高水平、更高層次邁進(jìn)。在北斗和人們的生活越來越密切的時代，其安全隱患越迫切需要得到解決，研究者們正在探索和試驗在未來導(dǎo)航戰(zhàn)場上遭受無線電干擾情況下國家基礎(chǔ)設(shè)施還能迅速恢復(fù)過來的抗欺騙方法。下面對未來的欺騙技術(shù)與抗欺騙技術(shù)提出幾點展望：

1)對高級欺騙技術(shù)的研究。通過對目標(biāo)接收機(jī)中間相位的準(zhǔn)確檢測，采用天線圖像識別或者相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)能完全抑制真實信號的無感欺騙技術(shù)。

2)對欺騙消除技術(shù)的研究。由于欺騙信號的進(jìn)入會影響跟蹤環(huán)路誤差，導(dǎo)致定位精度下降或環(huán)路失鎖現(xiàn)象，因此不光要檢測到欺騙信號的存在，欺騙信號的抑制和消除也很重要。

3)北斗導(dǎo)航和其他可靠導(dǎo)航設(shè)備深度耦合，建立彈性PNT體系，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4)目前，抗欺騙功能是通過增加硬件或增加計算量來實現(xiàn)，且對硬件要求較高。小體積接收機(jī)會產(chǎn)生額外的體積或熱量，溫度太高不利于小體積接收機(jī)的正常定位能力，限制了微PNT系統(tǒng)的研究，可在文獻(xiàn)[26]研發(fā)的SemperFi基礎(chǔ)上提高定位精度、縮小體積和降低成本，使該SemperFi模塊適用于民用設(shè)施。

5)強(qiáng)化欺騙設(shè)備的反跟蹤和摧毀能力，目標(biāo)接收機(jī)通過檢測到欺騙信號的來向和信號強(qiáng)弱或者其他手段進(jìn)行判斷。

6)多種抗欺騙手段聯(lián)合使用是未來抗欺騙技術(shù)的發(fā)展方向。首先，從射頻前端采用抗欺騙天線技術(shù)削弱欺騙信號的能量；其次，在信號處理階段檢測出欺騙信號的存在，并搭建單獨的跟蹤環(huán)路實時跟蹤鎖定欺騙信號，得到欺騙信號參數(shù)，利用該參數(shù)既可以和其他的輔助設(shè)備進(jìn)行參數(shù)比對以防跟蹤上的是欺騙信號，又可以進(jìn)行欺騙信號的消除；然后，在信息處理階段采用完好性監(jiān)測技術(shù)防止上一階段有通道存在真實和欺騙信號誤判；最后，在數(shù)據(jù)融合層面，利用其他外源傳感器信息通過緩變故障監(jiān)測的方式剔除依然被欺騙的衛(wèi)星導(dǎo)航，采用其他可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行定位導(dǎo)航，如圖8所示。

圖8 抗欺騙干擾示意圖Fig.8 Schematic diagram of anti-deception jamming

4 結(jié)論

總的來說，欺騙與抗欺騙技術(shù)是矛與盾的關(guān)系。沒有一種抗欺騙技術(shù)能夠檢測所有的欺騙攻擊，也沒有一種欺騙技術(shù)能夠使所有的抗欺騙技術(shù)失效。欺騙技術(shù)的進(jìn)步會促進(jìn)抗欺騙技術(shù)的發(fā)展，抗欺騙技術(shù)的完善也會使得越來越多更先進(jìn)的欺騙手段涌現(xiàn)出來，兩者之間此消彼長，你追我趕。因此，研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的欺騙與抗欺騙技術(shù)的工作永遠(yuǎn)在路上。對于欺騙技術(shù)，在未來技術(shù)發(fā)展鼎盛時期，接收機(jī)可能如同紐扣一般隨處可見，為了避免受到不法分子威脅而不自知，欺騙技術(shù)可以幫助我們化險為夷，抗欺騙技術(shù)可以保障GNSS服務(wù)安全。到目前為止，GNSS抗欺騙技術(shù)還不具有普適性，即一種抗欺騙干擾檢測和抑制技術(shù)并不能用于多欺騙干擾場景，大多數(shù)的欺騙檢測技術(shù)僅僅針對某一個特定場景有效。所以，開發(fā)和探索多種多樣的GNSS抗欺騙干擾技術(shù)至關(guān)重要。除了實驗室仿真驗證，希望更多地實現(xiàn)工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，對保障導(dǎo)航應(yīng)用安全、保證國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵行業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。