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GPS转发欺骗式干扰应用于无人机的实例分析
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中国航天系统科学与工程研究院张宁
引言
GPS导航是现代精准定位的主要技术手段,而对其导航定位的干扰技术研究具有极其重要的实际应用价值。对GPS的干扰分为压制式和欺骗式干扰两大类。压制式干扰的优点是干扰功率大,技术实现难度小。但是随着针对GPS系统的多种抗干扰措施(包括提高发射功率、采用新的码机构、接收机采用空时二维滤波等新的信号处理算法、点波束与高增益美国军用接收机结合等)的应用,大大增加了压制式干扰的难度。而欺骗式干扰则可以克服压制式干扰的这些不足,其分为产生欺骗式干扰和转发欺骗式干扰。产生欺骗式干扰需要知道伪随机码码型和导航点位。由于加密的伪随机码无法获取,采用转发欺骗式干扰更为合理有效。
GPS转发欺骗式干扰是利用转发真实的卫星导航信号,并附加一定的时延,使接收机得到错误的伪距,从而产生定位错误。这种干扰方式不需要对加密码进行相关处理,只要进行延迟转发即可。
一、GPS转发欺骗式干扰实例
近年来,各种成功欺骗标准接收机的报道屡见不鲜。下面对军用和民用两种GPS无人机的受GPS转发欺骗式干扰的实例进行介绍分析。
1.伊朗捕获美军两型无人侦察机
2011年12月,一架由美国生产的RQ170“哨兵”无人侦察机(如图1所示)在入侵伊朗领空250千米时被捕获。就伊朗如何缴获“哨兵”无人侦察机可谓众说纷纭。伊朗的一位工程师描述了他们缴获该无人机的过程:一开始屏蔽无人机的通信线路,切断其与地面控制中心的联系;同时打断它跟GPS卫星之间的安全数据连接,迫使其进入自动导航状态。这时利用转发欺骗干扰技术,把错误信息包装成看起来可靠的GPS信号,进而掌握精确的降落海拔和经纬度数据,使其降落在指定地点,而整个过程中无需破解无人机与指控中心的远程控制及通信信号。
2012年12月,伊朗革命卫队在海湾水域再次捕获一架美军“扫描鹰”无人侦察机。这也再次证明了伊朗使用的干扰方法的可行性。
2.托德,汉弗莱斯团队模拟实验项目
2012年6月,美国国土安全部在白沙导弹靶场测试了美国得克萨斯大学奥斯汀分校的航空工程助理教授托德,汉弗莱斯(ToddHumphreys)和无线电导航实验室的学生们开发的欺骗式干扰机控制民用无人机的能力。托德·汉弗莱斯本来并不相信伊朗人的说辞,直至他的这个模拟实验项目得出与伊朗方面相同的结果。托德·汉弗莱斯的模拟实验项目主要通过影响无人机GPS接收机的位置、速度、时间来实现对其精确导航的干扰,这种干扰欺骗是让电脑相信并依赖一个包含着虚假地理信息的信号,并用其进行错误导航。他在模拟实验中采用的欺骗式干扰机价值1000美元。该欺骗式干扰机可以用在以数字信号处理器为核心的便携式软件无线电平台中.其体系结构图如图2所示。
据托德·汉弗莱斯说,这是目前为止最先进的欺骗式干扰机。前期他用“欺骗式干扰器”模拟发射真实的GPS信号,但是模拟信号比从卫星传下来的强得多(模拟信号至少高于相关真实信号lOdB),迫使无人机自动选择模拟信号;然后干扰机开始发送虚假信号(模拟信号相对真实信号时延2微秒),无人机就被完全欺骗了。该模拟实验的测试配置如图3所示。截至目前,这是唯一在公开文献中报道的能够伪造真实GPS信号的扩码和导航数据的欺骗式干扰机。随后,托德·汉弗莱斯和他的团队又成功地让一艘名为WhiteRoseofDrachs的超级游艇(该游艇长63米,价值8000万美元)在其船长毫不知情的情况下偏离航向。从伊朗方面提供的缴获无人机的过程可以明显看出:成功利用GPS转发欺骗干扰技术诱骗无人机,需要由干扰机产生可靠的GPS信号,而托德·汉弗莱斯的模拟实验项目中的欺骗式干扰机采用的技术实现手段与伊朗方面如出一辙。两者主要的区别在于:伊朗方面是先切断无人机接收军用定位信号,然后用民用欺骗信号诱骗了无人机;而托德·汉弗莱斯是直接用功率更大的民用欺骗信号诱骗了无人机。基于以上实例以及各种成功欺骗标准接收机的报道,我们可以预见转发欺骗式干扰技术已经对民用和军用GPS定位设备产生了一定威胁。
二、GPS转发欺骗式干扰实施的重难点问题
结合上文中的实例分析以及相关文献中关于转发欺骗式干扰技术有效实现手段发现,为确保转发欺骗式干扰的有效实现必须解决以下2个问题:一是GPS干扰系统收发信号的隔离;二是GPS转发欺骗式干扰延迟时间的确立。
1.干扰系统收发信号的隔离
从转发欺骗式干扰的基本原理可知,干扰机的转发前端主要完成微弱GPS信号的接收和变频放大,转发后端完成信号的混频放大。由于干扰信号的产生是建立在GPS真实信号的接收基础上,发射信号的功率会大于真实信号,这样就容易造成对不干扰系统的接收机的串扰,影响干扰信号的形成,因此必须解决干扰系统
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