真实环境中的GNSS/GPS干扰和欺骗测试
【导读】技术进步也会同步伴随这更多危险因素出现，而在科技领域更是如此。GNSS/GPS信号的抗干扰能力相对较差，容易受到两种形式的干扰：信号干扰和信号欺骗。
GNSS/GPS干扰和欺骗是什么？
技术进步也会同步伴随这更多危险因素出现，而在科技领域更是如此。GNSS/GPS信号的抗干扰能力相对较差，容易受到两种形式的干扰：信号干扰和信号欺骗。
GNSS/GPS干扰是由外部干扰源发起的频率干扰，以造成接收机失去位置信息。
第二种威胁形式是信号欺骗，这是指伪造的GNSS/GPS信号干扰接收机，也就是显示与实际情况不符的位置和时间信息，以此欺骗用户。
GNSS/GPS干扰和实地测试
随着GNSS/GPS信号干扰和欺骗的信息层出不穷，人们对这些威胁的认知度在不断提升。在这样的现状下，我们要加倍努力实施抗干扰和反欺骗解决方案。
十余年来，专家一直在受控环境（实验室）中评估GNSS/GPS的抗干扰和反欺骗功能。但这些测试存在局限性，无法全面分析和覆盖接收机遭受干扰或欺骗时的行为。为此，有必要通过实地测试验证来补充实验室测试。户外测试的作用：
● 支持识别真实用户环境中典型干扰和欺骗信号的特征。
● 支持验证接收机的抗干扰和反欺骗能力。
● 支持了解在动态条件下，接收机遭受干扰和欺骗时的表现。
这几点意义非凡，有助于了解接收机抗干扰能力的不足，继而做出改善。
GNSS频段受官方保护，在该频段上通播射频需要取得特别授权，否则就属于违法行为，这造成工程师很难前往实地执行测试。此次测试是挪威当局第二次组织像Jammertest 2022 1这样的实地测试。
测试
挪威北岸是Jammertest 2022的场地。在挪威当局的协助下，一支专家小组启动了在正常大气条件下评估GNSS/GPS干扰和欺骗的工作。
在为期一周多的时间里，一百多位专家在干扰和欺骗测试中评估了设备性能。测试中涉及到不同的道路和天气条件，总共三个主要位置区为部分频段的干扰和欺骗提供测试环境：一个高效干扰机测试区，两个低效干扰机测试区。
此次测试活动使用的大多数GNSS/GPS信号干扰机均为挪威通信管理局或警方罚没的设备。还有一部分干扰机是在网上购得的，但并不是供公众使用的设备。
测试分为两个大类：干扰情景和欺骗情景。
● 干扰测试进一步分为两组；可发射CW和PRN（BPSK调制）干扰信号的高效干扰机；以及低效干扰机（宽带扫频式）。
● 对于欺骗测试，专家认为可分为两类：基本攻击和高级攻击。基本攻击涉及评估特定的位置和时间，以欺骗L1C/A卫星信号。高级攻击涉及在不同的时间范围（时间梯度、频率梯度或假闰秒）下同步的露天GPS L1欺骗信号。下表展示了该试验周中用到的各种类型的测试和规范。
i 专家将所有测试重复两次，首先使用CW，然后使用PRN (BPSK)
ii 驾驶地点是Bleik附近区域
iii 测试在Grunnvatn进行（利用未在第1部分中使用的干扰机）
iv 驾驶地点是Grunnvatn附近区域
v 可开车到任意位置
结果
根据上述条件在安岛附近行车，并克服各种障碍（例如，在记录活动时同步信号），这让专家可以更好地了解接收机在遭受干扰和欺骗期间的行为。通过此试验周的活动推断出的主要观察结果包括：
1)由于信号处理技术，接收机表现稳健，位置与时间信息的可用性提高。
2)对位置和时间信息可用性助益最大的因素是处理多个频段和传感器数据的能力，具体如下：
a.在使用传感器数据(DR)的单频接收机失去GNSS定位/信号时，仍可通过DR提供位置和时间信息。
b.在多频接收器失去来自干扰频段的信号时，仍可提供GNSS定位/信号。
下图说明了高效GNSS信号干扰机(20W)对L1频段施加长时间干扰的情景。图中显示了用于估算位置、速度和时间解的每个频段的信号数量。
信号数量的减少与接收到的干扰功率相对应，主要决定因素是与干扰机的距离。在干扰源附近完全检测不到L1频段的信号。因严重干扰（20W发射功率），L2频段受到极大的影响。但即便在这种情景下，接收机也能检测到至少四个信号，提供准确的位置、速度和时间解。
3)在大多数情况下，即使在高影响干扰中，干扰也不会造成位置和时间信息准确性显著下降，基本干扰产生的影响更是微乎其微。
下图展示了在本次测试活动中，车辆为获取信息而采用的行驶路线之一：在露天环境中穿过Bleik村。在此情景中，车辆首先靠近干扰机，然后再远离该设备。
图1.Bleik周边动态高效干扰机情景的测试结果
在整个测试阶段中，ZED-F9P接收机输出结果始终保持足够的精确度。原因是在干扰机造成L1 GNSS/GPS信号丢失时，接收机会使用L2信号进行导航。
总结
此次试验中使用的规范和时间范围让参与者能确定接收机在真实条件下遭受干扰和欺骗时的行为。这次试验活动让技术开发者得出了详实的结论。
对于u-blox来说，这是一次评估当前GNSS接收机在真实环境中的抗干扰能力的绝佳机会。我们也借此获得了有助改善未来设备安全性的宝贵见解，对于我们一直高度关注的安全主题极有价值。
参考文献：
[1] https://gpspatron.com/jammertest2022-norway/
本文作者 | Philipp Richter，u-blox高级系统架构师
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