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

科技的進(jìn)步已為各種威脅敞開了大門，尤其是在數(shù)字科技方面。微弱的 GNSS/GPS 訊號容易受到干擾，這通常有會兩種情況：干擾或詐騙訊號。GNSS/GPS 干擾是指外部來源對頻率的干擾。它會導(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 訊號干擾接收器，藉由顯示錯誤的位置或時(shí)間來欺騙用戶。

GNSS/GPS 干擾器和現(xiàn)場測試
我們越來越常聽到有關(guān)干擾和詐騙 GNSS/GPS 訊號的情況發(fā)生，也因此業(yè)界對這類威脅的警覺正不斷地提高。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，專家們一直在受控環(huán)境（實(shí)驗(yàn)室）中評估 GNSS/GPS 的抗干擾和防詐騙功能。然而，這些測試無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)場測試驗(yàn)證是必要的；它們可用來彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室測試的不足。

戶外測試能夠：
? 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)場測試。由于他們的努力，來自歐洲各地的 GNSS 制造商和其他技術(shù)供貨商才能藉此機(jī)會進(jìn)行測試。

現(xiàn)場測試
挪威北岸是Jammertest 2022的測試場域。一組專家與挪威當(dāng)局一起開展了一項(xiàng)計(jì)劃，以評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星期，利用此密集的干擾和詐騙測試評估他們的設(shè)備。這項(xiàng)測試是在不同的道路以及不同的天氣條件下進(jìn)行的，有三個主要區(qū)域被設(shè)定為干擾和詐騙頻段的場景：一個高干擾器測試區(qū)域，以及兩個低效干擾器測試區(qū)域。

 
圖一 : 現(xiàn)場測試

挪威通訊管理局或警方為此次活動沒收了很多 GNSS/GPS 訊號干擾器，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合上使用的。
測試分為兩類：干擾場景和詐騙場景。干擾測試又進(jìn)一步分為兩組：具有 CW 和 PRN（BPSK 調(diào)制）干擾訊號的高效干擾器和低效干擾器（帶寬掃描型）。至于詐騙測試，專家們考慮了兩種類型：基本攻擊和進(jìn)階攻擊?；竟舭ㄍ高^評估一個給定的位置和時(shí)間來詐騙 L1 C/A 衛(wèi)星訊號。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。
表一顯示在一星期的實(shí)驗(yàn)期間，所采用的不同類型測試和規(guī)范。

表一 在實(shí)驗(yàn)期間采用的不同類型測試和規(guī)范

i 專家重復(fù)所有測試兩次，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 可以到處開車
結(jié)果
在這些條件下繞著 Andoya 行駛并克服障礙（例如在記錄活動時(shí)也同步訊號），以便能更了解接收器在干擾和詐騙期間的行為。在為期一周的測試期間，得到的主要觀察結(jié)果為：
一、由于訊號處理和緩解技術(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，對多個頻段和傳感器數(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/訊號時(shí)，它仍然可以透過 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時(shí)，它仍然可以根據(jù)第二個頻率提供 GNSS 定位/訊號。
圖二說明在 L1 頻段上，有高效 GNSS 訊號干擾器（20 W）進(jìn)行長時(shí)間干擾的場景。該圖顯示了為估計(jì)位置、速度和時(shí)間，每個頻段所使用的訊號數(shù)量。


 
圖二 : 在 L1 頻段上，有高效 GNSS 訊號干擾器（20 W）進(jìn)行長時(shí)間干擾的場景。
訊號數(shù)量的減少可對應(yīng)至接收到的干擾功率，主要是由與干擾器的距離而定。干擾源附近沒有來自 L1頻段的訊號，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，接收器也可以偵測到至少四個衛(wèi)星訊號，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 ，干擾也不會顯著影響位置和時(shí)間的準(zhǔn)確性，更不用說基本干擾了。
圖三顯示了其中一輛車輛在測試期間為獲取訊息而遵循的軌跡，車子是行駛在開闊的Bleik鄉(xiāng)鎮(zhèn)。在此情境中，車子首先迎向干擾器，然后再遠(yuǎn)離它。


 
圖三 : 在Bleik 周圍進(jìn)行動態(tài)、有高效干擾器的測試結(jié)果

u-blox ZED-F9P接收器在整個測試期間均能有不錯的準(zhǔn)確度，因?yàn)楫?dāng)干擾器導(dǎo)致 L1 GNSS/GPS訊號丟失時(shí)，接收器能使用 L2 訊號進(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-blox F9平臺為基礎(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)字式車速信息和車輛動力學(xué)，即使在無法取得 GNSS 服務(wù)的情況下，也能實(shí)現(xiàn)精確可靠的定位和車輛姿態(tài)（attitude）預(yù)估。

結(jié)論
測試中所使用的規(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)由此測試，技術(shù)開發(fā)人員可以獲得相當(dāng)豐富的結(jié)論。對u-blox來說，這是在真實(shí)環(huán)境中，評估目前 GNSS 接收器的韌性的絕佳機(jī)會。我們還同時(shí)獲得提高未來裝置安全性的洞見—這也是我們在發(fā)展產(chǎn)品時(shí)，最關(guān)注的一個層面。
（本文作者Philipp Richter為u-blox資深系統(tǒng)架構(gòu)師）