一種改進的民用GPS異步欺騙技術(shù)*

易曙明,游 凌,李 顯

(1.信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，鄭州450001；2.盲信號處理國家級重點實驗室，成都610041)

0 引 言

隨著信息戰(zhàn)和導(dǎo)航戰(zhàn)成為新的作戰(zhàn)方式，針對民用GPS的欺騙成為了一個研究熱點[1-6]。目前民用GPS欺騙主要分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙和生成式欺騙。其中生成式欺騙能夠根據(jù)欺騙意圖調(diào)整導(dǎo)航電文參數(shù)，自主產(chǎn)生高精度導(dǎo)航信號，對GPS接收終端具有更大威脅。

無論是轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙還是生成式欺騙，由于擴頻碼的相關(guān)特性，必須保證欺騙信號到達接收機天線處偽碼相位與真實信號對齊，才會影響接收機跟蹤狀態(tài)。因此根據(jù)信號是否同步有異步和同步兩種攻擊方式。異步攻擊的一種實現(xiàn)是通過大功率壓制使接收機進入重捕獲，欺騙信號憑借功率優(yōu)勢誘捕。此種方式由于GPS系統(tǒng)的擴頻處理增益以及改進，需要付出很高的功率代價，逐漸變得難以實施。另一種攻擊方式最先出現(xiàn)在文獻[7]中針對直擴通信相干干擾提出的靈巧干擾方法，通過改變信號偽碼速率，生成滑動的靈巧干擾信號，實現(xiàn)偽碼相位的自動對齊。文獻[8]將該技術(shù)應(yīng)用于欺騙導(dǎo)航接收機，并分析了成功欺騙的功率要求，在4 dB的欺騙增益下，可在最長50 min破壞接收機的跟蹤狀態(tài)。文獻[9]采用偽碼滑動技術(shù)欺騙處于跟蹤階段的接收機，并盡量規(guī)避RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)預(yù)警。文獻[10]研究了滑動過程的功率控制，指出只要欺騙信號具有功率優(yōu)勢就可實現(xiàn)接收機的牽引，且欺騙功率不宜過大。文獻[11]將生成式欺騙應(yīng)用于無人機誘捕，采用壓制接入的方式實現(xiàn)了對無人機的誘捕。

由于生成式欺騙技術(shù)細節(jié)復(fù)雜，公開文獻雖對其進行了不同程度的研究，但大多停留在理論分析和軟件仿真驗證，實際環(huán)境的測試和驗證缺乏；偽碼滑動是解決碼相位同步的一種手段，但現(xiàn)有研究關(guān)注在成功欺騙的方法和功率條件以及欺騙策略上，未對信號參數(shù)對欺騙信號的功率影響進行理論分析，且沒有考慮欺騙信號與真實信號的碼片超前滯后問題，導(dǎo)致欺騙起效時間具有不確定性。針對上述問題，本文通過對GPS欺騙問題建模，分析了欺騙信號和真實信號碼片誤差的影響因素，推導(dǎo)了信號參數(shù)對偽碼相關(guān)峰值的影響公式，針對碼片誤差較大情況下提出了多路并發(fā)滑動的方法，并通過碼片誤差滯后擴展解決了碼相位超前滯后模糊問題，與傳統(tǒng)單路滑動技術(shù)對比，具有起效時間更短、欺騙更可靠的特點。

1 欺騙問題建模分析

1.1 欺騙模型

GPS欺騙的基本原理是使接收機解算錯誤的偽距得到錯誤的定位信息。構(gòu)造如圖1所示的欺騙場景。

圖1 欺騙場景

依據(jù)文獻[12]，偽距的篡改體現(xiàn)在傳輸時間上，而GPS接收機處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取衛(wèi)星信號發(fā)射時刻主要依靠Z計數(shù)、比特計數(shù)、CA碼整周計數(shù)和CA碼相位四步完成。因此欺騙設(shè)備在構(gòu)造欺騙信號的調(diào)整時延時可以將其體現(xiàn)在欺騙信號CA碼初始相位的超前和滯后上。

1.2 誤差分析

由1.1小節(jié)可知，欺騙設(shè)備的核心就是調(diào)整欺騙信號傳輸時間，對于生成式欺騙可以結(jié)合導(dǎo)航電文修改和欺騙信號CA碼初始相位的超前滯后實現(xiàn)欺騙信號、真實信號在目標接收機處碼相位對齊。然而，要實現(xiàn)上述過程，每一環(huán)節(jié)都必須精準無誤差，而事實上實現(xiàn)這一點是具有很大難度的。下面對欺騙信號初始碼相位調(diào)整過程中可能涉及的誤差做簡單分析。

(1)對流層傳輸延遲

GPS信號在傳輸穿越對流層時，傳輸路徑會由于對流層作用發(fā)生彎曲，從而使接收機解算位置時的距離測量產(chǎn)生誤差。對流層的延遲與衛(wèi)星的仰角密切相關(guān)，一般在天頂方向時誤差為2～3 m，在水平方向時，對流層導(dǎo)致的傳輸延遲可以達到約25 m。

(2)電離層傳輸延遲

GPS信號作為一種電磁波信號，在大氣中傳輸穿越電離層時會存在一定的延遲。目前公開的研究資料表明，電離層對GPS的傳輸延遲體現(xiàn)在距離上誤差在天頂方向可達50 m，在水平方向可達150 m。

(3)衛(wèi)星時鐘誤差

GPS衛(wèi)星配備了高精度原子鐘，在工作過程中，相對而言比較穩(wěn)定，但仍然存在一定的時鐘偏差和頻率漂移。地面站在對各衛(wèi)星進行監(jiān)測的過程中，會在導(dǎo)航電文中傳輸衛(wèi)星時鐘偏差、衛(wèi)星時鐘頻率漂移和衛(wèi)星時鐘頻率漂移速度，接收機在位置解算過程中可以對其進行補償，因此此項可忽略。

(4)接收機時鐘誤差

接收機本地時鐘和GPS系統(tǒng)時間存在一定的誤差，這個誤差在正常解算偽距時會通過定位方程進行修正，但在進行欺騙、已知偽距反向推算時間時，這個鐘差可以導(dǎo)致最大約為10 m的誤差。

(5)探測系統(tǒng)對目標位置的定位誤差

目前，欺騙方對目標位置的探測一般通過雷達探測、光電觀測和無線電偵測等手段，三者的應(yīng)用場景均有一定限制，且定位精度具有一定限制。而GPS欺騙中，對目標位置定位存在的誤差會導(dǎo)致欺騙信號和真實信號碼相位有一定延遲。當(dāng)定位距離誤差從500 m變化到3 km，對應(yīng)的碼片相位誤差將達到將近10個碼片。

綜上所述，在可能影響欺騙信號初始碼相位調(diào)整的誤差之中，探測系統(tǒng)對目標位置的定位距離誤差是最大的一個。

2 滑動牽引入鎖

2.1 滑動牽引原理

為解決欺騙信號和真實信號碼片誤差帶來的同步問題，根據(jù)文獻[7-8]，采用碼片滑動實現(xiàn)欺騙信號與真實信號偽碼相位的自動同步。圖2描述了基于碼片滑動原理的欺騙信號牽引入鎖過程，3個紅色點值分別表示超前、即時、滯后三支路的輸出相關(guān)值。

圖2 偽碼滑動入鎖過程

如圖2(a)所示，接收機超前、即時、滯后三條支路已跟蹤鎖定真實信號，欺騙信號與真實信號碼相位誤差大于2個碼片，對接收機狀態(tài)不產(chǎn)生影響；圖2(b)表示欺騙信號已逐漸靠近真實信號；圖2(c)表示真實信號與欺騙信號在碼相位上已對齊；圖2(d)表示由于功率優(yōu)勢，接收機跟蹤環(huán)路轉(zhuǎn)而跟蹤上欺騙信號，并由于欺騙信號與真實信號存在的相對滑動，兩者逐漸遠離；圖2(e)表示接收機已完全跟蹤鎖定欺騙信號，并且欺騙信號與真實信號的碼片差已經(jīng)大于2個碼片，真實信號對接收機跟蹤狀態(tài)不再產(chǎn)生影響，在一定時間后，真實信號和欺騙信號雖然會再次進行碼相位對齊，但由于真實信號功率低于欺騙信號，因此不會影響接收機對欺騙信號的跟蹤狀態(tài)。

由圖2及上文可知，對于具有功率優(yōu)勢的欺騙信號，只要修改其偽碼速率，就能產(chǎn)生相對滑動的相關(guān)峰，實現(xiàn)偽碼相位自動同步，并牽引接收機跟蹤欺騙信號。文獻[8,11]對滑動同步原理做了細致的理論證明，指出只要進入接收機的欺騙信號功率大于真實信號，即可牽引接收機跟蹤。

2.2 滑動牽引入鎖的功率損失分析

由于滑動入鎖技術(shù)涉及修改信號參數(shù)，下面就信號參數(shù)對相關(guān)峰值的影響進行了理論推導(dǎo)，可為實際應(yīng)用參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。

假設(shè)GPS接收機已經(jīng)跟蹤上真實信號，分析偽碼速率的改變對相關(guān)峰值的影響。令真實信號偽碼碼元寬度為TActual，欺騙信號偽碼碼元寬度為TSpoof。當(dāng)TSpoof

設(shè)Δ=TActual-TSpoof，則有

(1)

(2)

式(1)括號中第二項是錯位部分的貢獻值，因為不同的偽碼這部分值不同，所以該項采用期望值來代替：

(3)

又因為ck為偽隨機碼，ck、ck+1和k相互獨立，根據(jù)偽隨機碼的性質(zhì)，對于雙極性非歸零型二元偽碼序列，有E(ck)=E(ck+1)=1/N，所以由式(3)可得

(4)

聯(lián)立式(2)和式(4)可知相關(guān)值為

(5)

(6)

采用前面推導(dǎo)的思想，由式(6)可推導(dǎo)得出

(7)

當(dāng)i=1時，a=0，b=M，式(7)就是式(5)。實際上，當(dāng)i=N/2時，相關(guān)值最大，此時中心左右兩部分碼片對齊狀態(tài)一致。此時，認為中心左右的碼片為第一個碼片，該碼片和本地偽碼有TActual-Δ-Δ/2的寬度對齊，Δ+Δ/2的寬度未對齊；第二個碼片則有TActual-2Δ-Δ/2的寬度對齊，2Δ+Δ/2的寬度未對齊。設(shè)此種情況下，仍有M個碼片有交疊，有N-M個碼片在時間上已完全錯開。由于中心對稱，因此計算一半即可。令d=min((N-1)/2,M)，計算得該情況下相關(guān)值為

(8)

上述分析表明偽碼速率的改變將會導(dǎo)致相關(guān)值的損失，但該損失是可計算可預(yù)見的，可以通過增加欺騙信號的發(fā)射功率進行補償。采用干信比(Jamming-to-Signal Ratio)對其進行衡量：

(9)

根據(jù)式(9)可知，對于已知偽碼速率、偽碼周期的GPS系統(tǒng)，根據(jù)欺騙方案中設(shè)定的偽碼速率偏移值就可以求解出成功實現(xiàn)滑動入鎖的最小干信比。由于GPS信號載頻和碼率來自一個時鐘源，兩者保持1 540倍的比例變化關(guān)系，且受接收機跟蹤環(huán)路帶寬限制，所以在實際應(yīng)用中選擇的偽碼速率偏移值較小。

圖3給出了偽碼速率偏移5 chip/s內(nèi)的相關(guān)值變化值和其對應(yīng)的功率補償值，可以看出5 chip/s偏移范圍內(nèi)相關(guān)值變化不大，最小值為0.998 7，其對應(yīng)的功率補償值為0.010 9 dB，因此實際應(yīng)用中碼率變化造成的相關(guān)峰值損失基本可以忽略不計。此時考慮載頻具有偏差Δf，則相關(guān)值為

(10)

(a)相關(guān)值損失

(b)功率補償值圖3 碼率變化帶來的相關(guān)值損失和對應(yīng)的功率補償值

由于sinc(Δf/RB)≈1，因此式(10)可以寫為

(11)

對應(yīng)的JSR為

(12)

從圖4中可以看出,500 Hz偏移范圍內(nèi)相關(guān)值變化較大，對應(yīng)的最大功率補償值接近4 dB，因此載頻偏移對相關(guān)峰值損失占主要因素。假設(shè)實際應(yīng)用中Δf=250 Hz時，對應(yīng)的碼率偏移為RBΔ=Δf/1540≈0.16 chip/s，此時載頻偏差所需的功率補償值為0.912 1 dB，而碼率偏差所需的功率補償值僅為0.000 3 dB，因此實際應(yīng)用中應(yīng)考慮載頻偏差為功率損失的主要因素。

(a) 相關(guān)值損失

(b)功率補償值圖4 載頻變化帶來的相關(guān)值損失和對應(yīng)的功率補償值

2.3 欺騙策略

實際工程應(yīng)用中，無法判斷自主產(chǎn)生的欺騙信號與真實信號偽碼相位的超前滯后關(guān)系。當(dāng)探測系統(tǒng)定位最大距離誤差為3 km，在將滑動速度確定為增加欺騙偽碼速率時，理論最短滑動時間為t=10/RBΔ，最長滑動時間為t=(1 023-10)/RBΔ，當(dāng)RBΔ=0.16 chip/s時，分別為62.5 s和6 331.25 s，兩者差距明顯，各占0.5的概率，可見超前滯后模糊將會導(dǎo)致欺騙起效時間的二值性，直接造成起效時間顯著增加。

為增強實際工程設(shè)備的應(yīng)用效果，解決偽碼相位超前滯后模糊帶來的起效時間二值性，本文提出碼片誤差滯后擴展處理技術(shù)，通過對欺騙信號構(gòu)造時的初始碼相位進行碼片誤差向滯后方向擴大處理，即假設(shè)已知誤差范圍為[-10 chip,10 chip]，將誤差基準化，向滯后方向擴展10 chip誤差，將誤差范圍更改為[0,20 chip]，確保欺騙信號滯后于真實信號。

圖5為目標-欺騙設(shè)備-衛(wèi)星三維空間關(guān)系的簡化模型，將時延計算等效簡化為一維關(guān)系。綠點代表目標真實位置。由于探測系統(tǒng)的定位精度，導(dǎo)致計算時延后構(gòu)造的欺騙信號最大可能超前或滯后真實信號3 km(10 chip)。此時通過控制延時，將欺騙信號初始碼相位滯后10 chip，能夠保證欺騙信號與真實信號的碼相位關(guān)系為滯后0～20 chip，保證了欺騙信號的滑動方向。

圖5 空間關(guān)系簡化模型

為了縮減由于擴大滑動距離帶來的滑動時間代價，本文采用多路并發(fā)信號代替單路信號，即通過空間資源消耗換取時間上的增益，將原本每顆星的單路信號可能需要滑動距離20 chip平均分發(fā)給多路信號，單路信號滑動的距離就能得到相應(yīng)的減少，以便欺騙信號更快實現(xiàn)碼相位同步。整個欺騙過程具體流程如下：

Step1 時基同步，保證欺騙設(shè)備本地時鐘與衛(wèi)星系統(tǒng)時間同步。

Step2 欺騙系統(tǒng)根據(jù)接收機概略位置計算可見衛(wèi)星。

Step3 根據(jù)衛(wèi)星信號傳輸時間、欺騙信號初始時間、系統(tǒng)處理時延等計算欺騙信號各顆可見衛(wèi)星偽碼初始相位。

Step4 根據(jù)欺騙距離估計傳輸路徑功率損耗，并通過預(yù)設(shè)的欺騙信號參數(shù)計算欺騙功率增益。

Step5 擴頻調(diào)制生成各顆可見衛(wèi)星信號并合成一路信號，通過時延線處理，實現(xiàn)多路欺騙信號的發(fā)射。

Step6 效能評估，觀察目標接收機的應(yīng)激反應(yīng)。

3 仿真驗證

為驗證滑動牽引入鎖理論的正確性以及可實踐性，分別采用軟件接收機、商用接收機、移動定位終端對碼片誤差滯后擴展的多路滑動技術(shù)進行驗證。

3.1 基于滑動入鎖原理的GPS欺騙實驗

采用GPS軟件接收機模擬靜態(tài)接收機進行滑動欺騙技術(shù)的原理性驗證，實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗1仿真參數(shù)

由設(shè)置的仿真參數(shù)，利用式(9)和式(12)求得成功欺騙所需最小功率補償值為大于0.912 1 dB。將欺騙信號損失功率補償后，分別以不同功率實驗，將實驗結(jié)果與文獻[8]所述理論結(jié)果進行對比，如圖6～8所示。

(a)真實信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差

(b)欺騙信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差圖6 欺騙信號相關(guān)峰值等于真實信號相關(guān)峰值

(a)真實信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差

(b)欺騙信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差圖7 欺騙信號相關(guān)峰值等于1.25倍真實信號相關(guān)峰值

(a)真實信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差

(b)欺騙信號與本地復(fù)現(xiàn)碼相位差圖8 欺騙信號相關(guān)峰值等于2.5倍真實信號相關(guān)峰值

圖6中當(dāng)欺騙信號和真實信號相關(guān)峰值相等時，接收機本地復(fù)現(xiàn)偽碼在一定時間的抖動后與真實信號偽碼相位差保持為0，而與欺騙信號逐漸變大，此時欺騙失敗。當(dāng)增加欺騙干信比，使欺騙信號相關(guān)峰值大于真實信號相關(guān)峰值，如圖7和圖8所示，在欺騙信號逐漸滑動靠向真實信號時，本地復(fù)現(xiàn)碼開始出現(xiàn)抖動，并且經(jīng)過一定作用時間后，本地復(fù)現(xiàn)碼與真實信號的偽碼相位差從0逐漸變大，而與欺騙信號的偽碼相位差最終保持為0，說明最終欺騙信號成功被接收機跟蹤，滑動入鎖成功。同時，對比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著干信比的增大，能在一定程度上影響欺騙起效時間。實驗值均與理論值對比，除了跳變點，整體趨勢一致，仿真與理論相符。實際應(yīng)用中，可根據(jù)估計真實信號功率確定欺騙生效功率；再根據(jù)欺騙參數(shù)選擇，結(jié)合2.2節(jié)理論分析結(jié)果對損失功率進行補償。

3.2 碼片誤差滯后擴展處理性能驗證

為了驗證碼片誤差滯后擴展處理對欺騙信號滑動入鎖效能的改進，設(shè)置兩組欺騙實驗，每組信號與真實信號的初始碼片誤差隨機設(shè)置為[-2 chip,2 chip]中的一值來模擬實際應(yīng)用場景中初始碼相位的超前滯后模糊問題，欺騙功率增益為2 dB，其他參數(shù)設(shè)置同表1。對A組信號采用初始碼片誤差滯后擴展處理，B組不做處理，仿真信號時長為100 s，通過欺騙信號在仿真時長內(nèi)是否入鎖成功來判斷欺騙信號初始時刻是超前還是滯后真實信號，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 實驗2實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，通過碼片誤差滯后擴展處理，能夠保證欺騙信號初始滯后于真實信號，在增加欺騙碼率時，欺騙信號能夠在最快時間內(nèi)與真實信號同步。

3.3 多路并發(fā)滑動與單路滑動起效時間對比

當(dāng)欺騙信號和真實信號初始碼片誤差達到10個碼片時，再擴大初始碼片誤差到最大20個碼片，通過多路并發(fā)滑動技術(shù)，選擇并發(fā)數(shù)為10，可將偽碼相對滑動時間限制在最大為2個碼片，而單路滑動則仍需要20個碼片。設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示，僅將初始碼相位差改為20 chip，欺騙功率增益為2 dB。分別采用多路并發(fā)滑動和單路滑動對已經(jīng)穩(wěn)定跟蹤真實信號的靜態(tài)接收機進行欺騙，仿真結(jié)果如圖9所示。

(a)真實信號碼相位差對比

(b)欺騙信號碼相位差對比圖9 多路滑動與單路滑動起效時間對比

欺騙起效時間的理論值分別為12.5 s和125 s，實際上，從圖9中可以看到當(dāng)采用多路滑動策略時，19 s左右時，接收機完全穩(wěn)定跟蹤欺騙信號，而采用單路滑動策略，則大約需要131 s接收機才能穩(wěn)定跟蹤欺騙信號。考慮誤差體現(xiàn)在對接收機牽引過程上，且圖9標注時間為確定接收機完全穩(wěn)定跟蹤欺騙信號，因此具有一定誤差。無論從理論還是實驗的角度，多路和單路滑動的起效時間差均約為112 s，因此多路滑動策略在欺騙起效時間上存在顯著優(yōu)勢。

3.4 動態(tài)位置欺騙實驗

為驗證本文提出方法在實際應(yīng)用中的可行性和工程可實現(xiàn)性，通過導(dǎo)航信號模擬源進行實際場景驗證。實驗設(shè)置欺騙信號功率高于真實信號2 dB，偽碼速率快0.2 chip/s，初始偽碼相位差為2 chip，設(shè)置接收機靜態(tài)位置為(30.6469N,104.0451E)，欺騙信號于真實信號播發(fā)60 s后發(fā)射，前30 s位置為(30.6469N,104.0451E)，確保欺騙信號能夠滑過滯后的碼片，通過功率優(yōu)勢牽引接收機入鎖；而后將欺騙信號定位位置設(shè)置為(30.6469N,104.0451E)到(30.6442N,104.0392E)的一段動態(tài)路徑，便于直觀感受欺騙實驗結(jié)果。接收機分別采用中科微電子ATGM332D和某型智能手機。實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 動態(tài)位置欺騙實驗結(jié)果

從入鎖前后的接收信號載噪比差2 dB可以初步判斷欺騙信號已被接收機無感接收，從定位結(jié)果反映的動態(tài)軌跡證明欺騙信號被接收機正常接收并影響了接收機的定位解算，欺騙有效。

4 結(jié) 論

本文提出的針對民用GPS異步欺騙改進技術(shù)可以定量化計算信號參數(shù)對于欺騙信號功率損失的影響。通過碼片誤差滯后擴展處理，解決了實際工程應(yīng)用中構(gòu)造欺騙信號存在的偽碼相位超前滯后模糊問題，能保證在最短時間實現(xiàn)偽碼同步。采用多路并發(fā)滑動取代傳統(tǒng)的單路滑動技術(shù)，克服由于擴展碼片誤差帶來的滑動時間代價，并對目標定位引導(dǎo)數(shù)據(jù)不敏感。仿真實驗條件下，250 Hz的載頻偏移條件下所需干信比為0.912 1 dB，3 km定位誤差下，0.16 chip/s的相對滑動速度，能夠?qū)崿F(xiàn)欺騙信號穩(wěn)定入鎖，且通過實際設(shè)備測試，驗證該方法工程可實現(xiàn)。所提欺騙方法具有隱蔽、可靠的特點，對實施GPS欺騙研究具有很好的指導(dǎo)作用。