在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行GNSS/GPS干擾和詐騙測(cè)試

科技的進(jìn)步已為各種威脅敞開(kāi)了大門(mén)，尤其是在數(shù)字科技方面。微弱的 GNSS/GPS 訊號(hào)容易受到干擾，這通常有會(huì)兩種情況：干擾或詐騙訊號(hào)。GNSS/GPS 干擾是指外部來(lái)源對(duì)頻率的干擾。它會(huì)導(dǎo)致接收器丟失定位訊息；第二種威脅是詐騙，是指利用偽造的 GNSS/GPS 訊號(hào)干擾接收器，藉由顯示錯(cuò)誤的位置或時(shí)間來(lái)欺騙用戶。

GNSS/GPS 干擾器和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
我們?cè)絹?lái)越常聽(tīng)到有關(guān)干擾和詐騙 GNSS/GPS 訊號(hào)的情況發(fā)生，也因此業(yè)界對(duì)這類(lèi)威脅的警覺(jué)正不斷地提高。所以，我們需要更努力地建構(gòu)抗干擾和防詐騙的解決方案。

十多年來(lái)，專(zhuān)家們一直在受控環(huán)境（實(shí)驗(yàn)室）中評(píng)估 GNSS/GPS 的抗干擾和防詐騙功能。然而，這些測(cè)試無(wú)法全面性地分析和涵蓋接收器在干擾或詐騙攻擊下的行為。為此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證是必要的；它們可用來(lái)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的不足。

戶外測(cè)試能夠：
? 在真實(shí)的用戶環(huán)境中找出典型干擾和詐騙訊號(hào)的特征;
? 驗(yàn)證接收器的抗干擾和防詐騙能力;
? 了解接收器在動(dòng)態(tài)條件下，出現(xiàn)干擾和詐騙時(shí)，所表現(xiàn)的行為.
這些驗(yàn)證對(duì)于厘清實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)環(huán)境的落差至關(guān)重要，并可依此提高接收器的抗干擾韌性。
對(duì)工程師而言，由于 GNSS 頻段的保護(hù)，要跨出實(shí)驗(yàn)室，到實(shí)際道路上進(jìn)行測(cè)試是很困難的。除非有主管機(jī)構(gòu)的特別許可，否則在 GNSS 頻段上廣播射頻訊號(hào)是不合法的。因此，很感謝挪威當(dāng)局第二次舉行 Jammertest 2022現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。由于他們的努力，來(lái)自歐洲各地的 GNSS 制造商和其他技術(shù)供貨商才能藉此機(jī)會(huì)進(jìn)行測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
挪威北岸是Jammertest 2022的測(cè)試場(chǎng)域。一組專(zhuān)家與挪威當(dāng)局一起開(kāi)展了一項(xiàng)計(jì)劃，以評(píng)估正常大氣條件下的 GNSS/GPS 干擾和詐騙。
一百多人一起工作了一個(gè)星期，利用此密集的干擾和詐騙測(cè)試評(píng)估他們的設(shè)備。這項(xiàng)測(cè)試是在不同的道路以及不同的天氣條件下進(jìn)行的，有三個(gè)主要區(qū)域被設(shè)定為干擾和詐騙頻段的場(chǎng)景：一個(gè)高干擾器測(cè)試區(qū)域，以及兩個(gè)低效干擾器測(cè)試區(qū)域。

 
圖一 : 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

挪威通訊管理局或警方為此次活動(dòng)沒(méi)收了很多 GNSS/GPS 訊號(hào)干擾器，其中有部分是在網(wǎng)絡(luò)上找到的，雖然它們是不可以在公眾場(chǎng)合上使用的。
測(cè)試分為兩類(lèi)：干擾場(chǎng)景和詐騙場(chǎng)景。干擾測(cè)試又進(jìn)一步分為兩組：具有 CW 和 PRN（BPSK 調(diào)制）干擾訊號(hào)的高效干擾器和低效干擾器（帶寬掃描型）。至于詐騙測(cè)試，專(zhuān)家們考慮了兩種類(lèi)型：基本攻擊和進(jìn)階攻擊。基本攻擊包括透過(guò)評(píng)估一個(gè)給定的位置和時(shí)間來(lái)詐騙 L1 C/A 衛(wèi)星訊號(hào)。進(jìn)階攻擊則涉及不同時(shí)間范圍（時(shí)間區(qū)間、頻率區(qū)間或假閏秒）下的同步戶外 GPS L1詐騙訊號(hào)。
表一顯示在一星期的實(shí)驗(yàn)期間，所采用的不同類(lèi)型測(cè)試和規(guī)范。

表一 在實(shí)驗(yàn)期間采用的不同類(lèi)型測(cè)試和規(guī)范

i 專(zhuān)家重復(fù)所有測(cè)試兩次，首先使用 CW，然后使用 PRN （BPSK）
ii 在 Bleik 附近駕駛
iii 在 Grunnvatn 進(jìn)行了一次寬松的測(cè)試，使用未在第 1 部分使用的干擾器
iv 在 Grunnvatn 附近駕駛
v 可以到處開(kāi)車(chē)
結(jié)果
在這些條件下繞著 Andoya 行駛并克服障礙（例如在記錄活動(dòng)時(shí)也同步訊號(hào)），以便能更了解接收器在干擾和詐騙期間的行為。在為期一周的測(cè)試期間，得到的主要觀察結(jié)果為：
一、由于訊號(hào)處理和緩解技術(shù)，接收器展現(xiàn)出堅(jiān)韌性，提升了位置和時(shí)間的可用性。
二、提升位置和時(shí)間可用性的最重要因素是，對(duì)多個(gè)頻段和傳感器數(shù)據(jù)的處理，如下列所示：
1.當(dāng)具有傳感器數(shù)據(jù)（DR）的單頻接收器丟失 GNSS 定位/訊號(hào)時(shí)，它仍然可以透過(guò) DR 提供位置和時(shí)間訊息。
2.當(dāng)多頻接收器丟失了受干擾頻段的訊號(hào)時(shí)，它仍然可以根據(jù)第二個(gè)頻率提供 GNSS 定位/訊號(hào)。
圖二說(shuō)明在 L1 頻段上，有高效 GNSS 訊號(hào)干擾器（20 W）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間干擾的場(chǎng)景。該圖顯示了為估計(jì)位置、速度和時(shí)間，每個(gè)頻段所使用的訊號(hào)數(shù)量。


 
圖二 : 在 L1 頻段上，有高效 GNSS 訊號(hào)干擾器（20 W）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間干擾的場(chǎng)景。
訊號(hào)數(shù)量的減少可對(duì)應(yīng)至接收到的干擾功率，主要是由與干擾器的距離而定。干擾源附近沒(méi)有來(lái)自 L1頻段的訊號(hào)，L2 頻段接收受到大量干擾（20 W 發(fā)射功率）的影響。盡管如此，即使在此情況下，接收器也可以偵測(cè)到至少四個(gè)衛(wèi)星訊號(hào)，以提供準(zhǔn)確的位置、速度和時(shí)間解決方案。
三、在大多數(shù)情況下，即使在高效干擾期間 ，干擾也不會(huì)顯著影響位置和時(shí)間的準(zhǔn)確性，更不用說(shuō)基本干擾了。
圖三顯示了其中一輛車(chē)輛在測(cè)試期間為獲取訊息而遵循的軌跡，車(chē)子是行駛在開(kāi)闊的Bleik鄉(xiāng)鎮(zhèn)。在此情境中，車(chē)子首先迎向干擾器，然后再遠(yuǎn)離它。


 
圖三 : 在Bleik 周?chē)M(jìn)行動(dòng)態(tài)、有高效干擾器的測(cè)試結(jié)果

u-blox ZED-F9P接收器在整個(gè)測(cè)試期間均能有不錯(cuò)的準(zhǔn)確度，因?yàn)楫?dāng)干擾器導(dǎo)致 L1 GNSS/GPS訊號(hào)丟失時(shí)，接收器能使用 L2 訊號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，在干擾期間，仍能有可接受的準(zhǔn)確度約為6公尺（街道寬度）。
以u(píng)-blox F9平臺(tái)為基礎(chǔ)的系列模塊，除了內(nèi)建抗干擾和基于傳感器的防詐騙技術(shù)外，并具備IMU 數(shù)據(jù)、數(shù)字式車(chē)速信息和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，即使在無(wú)法取得 GNSS 服務(wù)的情況下，也能實(shí)現(xiàn)精確可靠的定位和車(chē)輛姿態(tài)（attitude）預(yù)估。

結(jié)論
測(cè)試中所使用的規(guī)范和時(shí)間范圍，使參與者能夠更了解接收器，在真實(shí)環(huán)境中面臨干擾和詐騙時(shí)的行為表現(xiàn)。經(jīng)由此測(cè)試，技術(shù)開(kāi)發(fā)人員可以獲得相當(dāng)豐富的結(jié)論。對(duì)u-blox來(lái)說(shuō)，這是在真實(shí)環(huán)境中，評(píng)估目前 GNSS 接收器的韌性的絕佳機(jī)會(huì)。我們還同時(shí)獲得提高未來(lái)裝置安全性的洞見(jiàn)—這也是我們?cè)诎l(fā)展產(chǎn)品時(shí)，最關(guān)注的一個(gè)層面。
（本文作者Philipp Richter為u-blox資深系統(tǒng)架構(gòu)師）