军事定位导航授时(PNT)系统应对安全威胁的最新进展/张新征

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全球导航卫星系统(GNSS),如美国的GPS所提供的信号代表了可用性和准确性方面的金标准。然而,GNSS干扰与欺骗设备在国家和非国家行动者之间的使用,使得这种定位信息的超强能力处于危险之中。在无法提供GNSS信号时, PNT(精确定位导航授时)技术可保持对数据获取的持续性,故而PNT信号与GNSS信号组合所形成的应用方案,能够应对针对GNSS的干扰和欺骗,也适合于在GPS被拒止的环境中使用—— 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20 000km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

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。

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艘船在黑海中被自动识别系统 (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。

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。

详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。

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。

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(eLORAN)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,就可以很容易地测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(INS),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。

结语

使PNT系统具有弹性的技术正在持续地演进。PNT系统的运营者们,无论是军用还是民用,都发现越来越受到威胁GNSS信号可用性和完整性的挑战。虽然某些系统加固和传感器融合技术仍在开发之中,但已经有一些技术成果出现,并将继续演进。

GPS和其他GNSS系统也将受益于未来的技术进步,其中一些将使它们的信号不易受到干扰。世界范围内的可用性和准确性使得GNSS不太可能在不久的将来就被另一种技术所取代。通过将基于GNSS的PNT设备和干扰探测与抑制系统相结合,我们将继续依赖可信的GNSS作为定位、导航和授时的主要来源。

对GPS威胁的抑制

机动指挥控制中心

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

GPS欺骗示意图

帕拉丁自行榴弹炮上的CRPA智能天线

GPS授时正在面临多重威胁

跨越南北极的铱星轨道

Spectracom公司的GPS易损性测试系统

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