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        真實環境中的GNSS/GPS干擾和欺騙測試

        發布時間:2023-08-24 來源:u-blox 責任編輯:wenwei

        【導讀】技術進步也會同步伴隨這更多危險因素出現,而在科技領域更是如此。GNSS/GPS信號的抗干擾能力相對較差,容易受到兩種形式的干擾:信號干擾和信號欺騙。


        GNSS/GPS干擾和欺騙是什么?


        技術進步也會同步伴隨這更多危險因素出現,而在科技領域更是如此。GNSS/GPS信號的抗干擾能力相對較差,容易受到兩種形式的干擾:信號干擾和信號欺騙。


        GNSS/GPS干擾是由外部干擾源發起的頻率干擾,以造成接收機失去位置信息。


        第二種威脅形式是信號欺騙,這是指偽造的GNSS/GPS信號干擾接收機,也就是顯示與實際情況不符的位置和時間信息,以此欺騙用戶。


        GNSS/GPS干擾和實地測試


        隨著GNSS/GPS信號干擾和欺騙的信息層出不窮,人們對這些威脅的認知度在不斷提升。在這樣的現狀下,我們要加倍努力實施抗干擾和反欺騙解決方案。


        十余年來,專家一直在受控環境(實驗室)中評估GNSS/GPS的抗干擾和反欺騙功能。但這些測試存在局限性,無法全面分析和覆蓋接收機遭受干擾或欺騙時的行為。為此,有必要通過實地測試驗證來補充實驗室測試。戶外測試的作用:


        ●  支持識別真實用戶環境中典型干擾和欺騙信號的特征。

        ●  支持驗證接收機的抗干擾和反欺騙能力。

        ●  支持了解在動態條件下,接收機遭受干擾和欺騙時的表現。


        這幾點意義非凡,有助于了解接收機抗干擾能力的不足,繼而做出改善。


        GNSS頻段受官方保護,在該頻段上通播射頻需要取得特別授權,否則就屬于違法行為,這造成工程師很難前往實地執行測試。此次測試是挪威當局第二次組織像Jammertest 2022 1這樣的實地測試。


        測試


        挪威北岸是Jammertest 2022的場地。在挪威當局的協助下,一支專家小組啟動了在正常大氣條件下評估GNSS/GPS干擾和欺騙的工作。


        在為期一周多的時間里,一百多位專家在干擾和欺騙測試中評估了設備性能。測試中涉及到不同的道路和天氣條件,總共三個主要位置區為部分頻段的干擾和欺騙提供測試環境:一個高效干擾機測試區,兩個低效干擾機測試區。


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        此次測試活動使用的大多數GNSS/GPS信號干擾機均為挪威通信管理局或警方罰沒的設備。還有一部分干擾機是在網上購得的,但并不是供公眾使用的設備。


        測試分為兩個大類:干擾情景和欺騙情景。


        ●  干擾測試進一步分為兩組;可發射CW和PRN(BPSK調制)干擾信號的高效干擾機;以及低效干擾機(寬帶掃頻式)。


        ●  對于欺騙測試,專家認為可分為兩類:基本攻擊和高級攻擊?;竟羯婕霸u估特定的位置和時間,以欺騙L1C/A衛星信號。高級攻擊涉及在不同的時間范圍(時間梯度、頻率梯度或假閏秒)下同步的露天GPS L1欺騙信號。下表展示了該試驗周中用到的各種類型的測試和規范。 


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        i 專家將所有測試重復兩次,首先使用CW,然后使用PRN (BPSK)


        ii 駕駛地點是Bleik附近區域


        iii 測試在Grunnvatn進行(利用未在第1部分中使用的干擾機)


        iv 駕駛地點是Grunnvatn附近區域


        v 可開車到任意位置


        結果


        根據上述條件在安島附近行車,并克服各種障礙(例如,在記錄活動時同步信號),這讓專家可以更好地了解接收機在遭受干擾和欺騙期間的行為。通過此試驗周的活動推斷出的主要觀察結果包括:


        1)由于信號處理技術,接收機表現穩健,位置與時間信息的可用性提高。


        2)對位置和時間信息可用性助益最大的因素是處理多個頻段和傳感器數據的能力,具體如下: 


        a.在使用傳感器數據(DR)的單頻接收機失去GNSS定位/信號時,仍可通過DR提供位置和時間信息。


        b.在多頻接收器失去來自干擾頻段的信號時,仍可提供GNSS定位/信號。


        下圖說明了高效GNSS信號干擾機(20W)對L1頻段施加長時間干擾的情景。圖中顯示了用于估算位置、速度和時間解的每個頻段的信號數量。


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        信號數量的減少與接收到的干擾功率相對應,主要決定因素是與干擾機的距離。在干擾源附近完全檢測不到L1頻段的信號。因嚴重干擾(20W發射功率),L2頻段受到極大的影響。但即便在這種情景下,接收機也能檢測到至少四個信號,提供準確的位置、速度和時間解。


        3)在大多數情況下,即使在高影響干擾中,干擾也不會造成位置和時間信息準確性顯著下降,基本干擾產生的影響更是微乎其微。


        下圖展示了在本次測試活動中,車輛為獲取信息而采用的行駛路線之一:在露天環境中穿過Bleik村。在此情景中,車輛首先靠近干擾機,然后再遠離該設備。


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        圖1.Bleik周邊動態高效干擾機情景的測試結果


        在整個測試階段中,ZED-F9P接收機輸出結果始終保持足夠的精確度。原因是在干擾機造成L1 GNSS/GPS信號丟失時,接收機會使用L2信號進行導航。


        總結


        此次試驗中使用的規范和時間范圍讓參與者能確定接收機在真實條件下遭受干擾和欺騙時的行為。這次試驗活動讓技術開發者得出了詳實的結論。


        對于u-blox來說,這是一次評估當前GNSS接收機在真實環境中的抗干擾能力的絕佳機會。我們也借此獲得了有助改善未來設備安全性的寶貴見解,對于我們一直高度關注的安全主題極有價值。


        參考文獻:


        [1] https://gpspatron.com/jammertest2022-norway/


        本文作者 | Philipp Richter,u-blox高級系統架構師 



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