民航GPS惡意干擾檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

摘 要：隨著空間定位技術(shù)不斷進(jìn)步，GPS（Global Positioning System）定位技術(shù)民航領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣，GPS干擾將直接影響民航飛行安全。為了快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)GPS干擾，提升保障能力，本文通過(guò)分析定位技術(shù)以及GPS干擾的特性，設(shè)計(jì)了多（單）GPS節(jié)點(diǎn)以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)3種環(huán)境下的干擾排查算法。利用排查算法采用Android系統(tǒng)的手機(jī)作為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)一套可運(yùn)行于手機(jī)的民航GPS惡意干擾檢測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了良好的效果，降低了檢測(cè)成本。

關(guān)鍵詞：GPS；惡意干擾；移動(dòng)定位；防欺騙

中圖分類號(hào)：P 258" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法可以將GPS惡意干擾方式分為壓制性干擾以及欺騙性干擾[1]。壓制性干擾是通過(guò)全（定）向天線配合大功率干擾發(fā)射機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)區(qū)域或者特定方向的衛(wèi)星信號(hào)屏蔽，使GPS接收機(jī)的工作性能降低或完全喪失；欺騙干擾是利用專業(yè)的信號(hào)發(fā)生設(shè)備，產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號(hào)欺騙對(duì)方的導(dǎo)航接收機(jī)，使其定位功能發(fā)生錯(cuò)誤。相對(duì)壓制干擾信號(hào)，欺騙信號(hào)更具威脅性，更難被察覺(jué)，同時(shí)存在危害性，甚至可以通過(guò)控制欺騙信號(hào)來(lái)控制他方飛行器[2]。

1 定位技術(shù)

定位技術(shù)主要是指某個(gè)特定坐標(biāo)系中，通過(guò)技術(shù)手段、科學(xué)運(yùn)算獲得待測(cè)具體位置的過(guò)程。定位可以通過(guò)多種介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，例如紅外線、超聲波和無(wú)線電波等，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電定位技術(shù)成為在民用領(lǐng)域應(yīng)用最廣的定位方法。在眾多的定位方法（紅外線、超聲波Ｗ及無(wú)線電等）中，應(yīng)用最廣泛的是無(wú)線電定位[3]，以下2種最典型：1）星基無(wú)線電定位。依托多衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算并測(cè)定物體位置（例如GPS）的方式。2）陸基無(wú)線電定位。在建立地面基站的基礎(chǔ)上測(cè)量接收電波參數(shù)計(jì)算獲得物體位置的（例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位與無(wú)線電導(dǎo)航定位）。

1.1 GPS定位技術(shù)

目前，GPS定位技術(shù)只通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)就可以完成定位，當(dāng)捕獲4顆衛(wèi)星信號(hào)時(shí)就可以完成準(zhǔn)確的定位工作，其衛(wèi)星基站主要由美國(guó)控制并對(duì)全球免費(fèi)開(kāi)放使用。GPS定位主要包括單點(diǎn)定位與相位定位2種方式。其中，相位定位主要采用偽距或測(cè)量者相位測(cè)量，獲得的精度相對(duì)較高，主要用于對(duì)精度要求比較高的領(lǐng)域，例如工程測(cè)量等。單點(diǎn)定位采用TOA（Time of Arrival）位法，主要通過(guò)偽距來(lái)測(cè)定地面接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。用戶以接收機(jī)接到衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間延時(shí)或者信號(hào)相位差為參數(shù)，計(jì)算接收機(jī)與衛(wèi)星之間的相對(duì)距離。再根據(jù)接收機(jī)與衛(wèi)星設(shè)備之間的種差，結(jié)合衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，采用三維坐標(biāo)系中距離公式列出方程（1）。

（1）

式中：Pn為衛(wèi)星的偽距；xn、yn、zn為衛(wèi)星的三維坐標(biāo)；?t為接收機(jī)與衛(wèi)星之間的鐘差；x、y、z為待測(cè)衛(wèi)星的坐標(biāo)；c為光速；求解以上方程就可以得到接收機(jī)位置信息。

在通常情況下接收機(jī)可以鎖住4顆及以上的衛(wèi)星，因此可以將每4顆衛(wèi)星分為1組，通過(guò)計(jì)算得到篩選出差最小的一組衛(wèi)星作為計(jì)算因子，以達(dá)到進(jìn)一步提高精度的要求。

1.2 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)主要是依托移動(dòng)基站來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端無(wú)線電波位置的定位技術(shù)。其位置信息包括但不限于移動(dòng)終端的坐標(biāo)、高度以及移動(dòng)速度等，其定位精度依賴于移動(dòng)基站的性能，對(duì)移動(dòng)終端性能沒(méi)有要求。通常用于有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋區(qū)的定位需求，有定位速度快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位能夠彌補(bǔ)GPS定位的缺陷，當(dāng)某些特殊場(chǎng)景下當(dāng)無(wú)法接到GPS信號(hào)時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位仍能正常工作。GPS工作頻率主要集中在L1波段（1575.42±1.023）MHz、L2波段（1227.60±1.023）MHz、L5波段（1176.45±1.023）MHz 3個(gè)頻段。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)工作頻率主要集中在800 MHz以及900 MHz頻段，與GPS處于不同工作頻段降低了同時(shí)受擾的可能性[5]。

2 GPS欺騙干擾特性

隨著導(dǎo)航技術(shù)不斷革新，在民航領(lǐng)域GPS定位技術(shù)已經(jīng)廣泛深入民用航空的各領(lǐng)域。2023年，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的脆弱性導(dǎo)致其易受到惡意干擾，如何識(shí)快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地識(shí)別欺騙干擾，對(duì)保障民航飛行安全有重大的意義。

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)于軍碼信號(hào)以及其他專用導(dǎo)航信號(hào)大多采用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾也是現(xiàn)階段被使用最廣泛的欺騙方法。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙原理如公式（2）所示。

（2）

式中：xn、yn、zn為目標(biāo)坐標(biāo)；在系統(tǒng)內(nèi)將接收的信號(hào)傳輸至發(fā)射機(jī)，此過(guò)程中信號(hào)延時(shí)為t1；發(fā)射機(jī)自身延時(shí)為t2；發(fā)射機(jī)至目標(biāo)基站的延時(shí)為t3；xm、ym、zm為接收衛(wèi)星的坐標(biāo)；Pn為衛(wèi)星的偽距；?t為目標(biāo)接收機(jī)與衛(wèi)星之間的鐘差；c為光速。

2.2 生成式欺騙

生成式欺騙干擾的本質(zhì)是通過(guò)架設(shè)欺騙信號(hào)發(fā)生裝置，通過(guò)模擬真的位置信息、衛(wèi)星位置信息，并計(jì)算接收衛(wèi)星信號(hào)的碼信息以及載波，生成欺騙信號(hào)，最終由欺騙天線將偽信號(hào)發(fā)射出去，達(dá)到對(duì)欺騙信號(hào)發(fā)射覆蓋范圍內(nèi)的接收機(jī)的欺騙目的，如公式（3）所示。

（3）

式中：xn、yn、zn為目標(biāo)坐標(biāo)；?tn為目標(biāo)接收機(jī)與衛(wèi)星之間的鐘差；c為光速；欺騙天線模擬坐標(biāo)為xα、yα、zα；Pα衛(wèi)星的偽距；tα偏移量；從而使受欺騙接收機(jī)獲得錯(cuò)誤的位置信息。

2.3 欺騙特征

在某開(kāi)闊場(chǎng)地隨機(jī)選取相隔100m內(nèi)，3個(gè)點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn)并記錄試驗(yàn)點(diǎn)真實(shí)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)點(diǎn)上分別放置3個(gè)接收機(jī)，并將欺騙源設(shè)置好固定延時(shí)，開(kāi)啟欺騙源，記錄3個(gè)接收機(jī)的偽位置信息歸納欺騙結(jié)果。

2.3.1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙

在多次調(diào)整衛(wèi)星延時(shí)參數(shù)后根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)配合MATLAB數(shù)據(jù)分析工具，對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并記錄分布。當(dāng)未打開(kāi)干擾時(shí)，可以觀察到接收機(jī)的定位結(jié)果均落在實(shí)際位置附近僅存在誤差。當(dāng)打開(kāi)干擾時(shí)（如圖1所示），可以觀察到當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)的延時(shí)一定時(shí)，接收機(jī)的定位結(jié)果均落在干擾源周圍，由于鐘差誤差導(dǎo)致了偽距誤差，因此定位結(jié)果在原點(diǎn)位置（干擾源位置）成誤差分布。由此可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出以下結(jié)論：當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)延時(shí)一定時(shí)，在欺騙影響區(qū)域內(nèi)，接收機(jī)在任何點(diǎn)的定位結(jié)果（不考慮偽距誤差）均為干擾源接收天線位置。

2.3.2 生成式欺騙

當(dāng)生成源的延時(shí)一定時(shí)，從數(shù)值計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)未打開(kāi)干擾時(shí)，接收機(jī)的定位結(jié)果均落在實(shí)際位置附近；當(dāng)干擾源打開(kāi)時(shí)，接收機(jī)的定位結(jié)果均落在生成源周圍，由于鐘差誤差導(dǎo)致了偽距誤差，因此定位結(jié)果在原點(diǎn)位置（生成源位置）成誤差分布。可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出以下結(jié)論：當(dāng)生成源參數(shù)一定時(shí)，在欺騙影響區(qū)域內(nèi)，接收機(jī)在任何點(diǎn)的定位結(jié)果（不考慮偽距誤差）均為生成源接收天線位置。

從第三章的結(jié)果可以看出，無(wú)論處于干擾區(qū)的任何位置，接收機(jī)所得到的定位結(jié)果都是一致的，所以只要在干擾區(qū)內(nèi)保持間隔布置1個(gè)以上觀察點(diǎn)，如果這些觀察點(diǎn)的定位結(jié)果一致，那么這些觀測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)必然來(lái)自欺騙信號(hào)。

3 欺騙干擾檢測(cè)算法模型

通過(guò)試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算，已經(jīng)基本掌握了欺騙干擾的特征，需要進(jìn)一步從技術(shù)上消除系統(tǒng)誤差以及測(cè)量誤差，才能確定可靠的欺騙干擾檢測(cè)方法。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)的定位結(jié)果均落在一個(gè)范圍內(nèi)，并不符合理論結(jié)果，所以需要得到一個(gè)閾值來(lái)進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。

3.1 多節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)算法模型

采用多節(jié)點(diǎn)模型的檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)欺騙干擾檢測(cè)，主要是通過(guò)多個(gè)接收機(jī)在不同位置的同一時(shí)刻得到的位置信息來(lái)判斷接收機(jī)所處范圍是否存在欺騙干擾的方法。以2個(gè)接收機(jī)為例，可以將2個(gè)接收機(jī)至于某個(gè)范圍內(nèi)的不同位置，通過(guò)可靠的測(cè)量手段測(cè)定2個(gè)接收機(jī)的位置，計(jì)算2個(gè)接收機(jī)之間的位置矢量差，確定閾值范圍。采用公式（1）計(jì)算。

r=P（a）-P（b），R=r+l" " " " （1）

式中：P（a）、P（b）分別為接收機(jī)位置；r為接收機(jī)位置矢量差；l為平均偏差；R為閾值半徑。當(dāng)定位位置偏出閾值時(shí)，可確定為被干擾。

3.2 單節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)算法模型

單節(jié)點(diǎn)模型檢測(cè)方法主要是利用多普勒測(cè)速原理，在只有單個(gè)接收機(jī)并且接收機(jī)有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下檢測(cè)某一區(qū)域內(nèi)是否存在干擾的方法?，F(xiàn)在大多數(shù)GPS接收中（例如手機(jī)），都可以在接收GPS信號(hào)的同時(shí)對(duì)信號(hào)衛(wèi)星的多普勒頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并獲得接收機(jī)的相對(duì)速度。在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果、數(shù)值計(jì)算、落點(diǎn)分布和算法測(cè)算等方面分析了多普勒單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)欺騙干擾的方法可行性以及準(zhǔn)確性。如圖2所示，發(fā)現(xiàn)在欺騙影響區(qū)內(nèi)且當(dāng)接收機(jī)接收并處理欺騙信號(hào)時(shí)，不論接收機(jī)與欺騙源的相對(duì)位置是否發(fā)生改變，其接收機(jī)在通過(guò)多普勒測(cè)速時(shí)所算得速度矢量，始終與欺騙所計(jì)算的速度矢量保持一致。由此可知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收機(jī)速度與當(dāng)前慣性速度不一致時(shí)，即V=Vn（V為初始速度，Vn為移動(dòng)時(shí)速度）時(shí)，接收機(jī)所處區(qū)域?yàn)槠垓_干擾區(qū)域。

3.3 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)輔助檢測(cè)方法

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位的基本思想就是利用移動(dòng)端（手機(jī)）接收來(lái)自3個(gè)及以上的基站信號(hào)，然后根據(jù)其中所包括的與移動(dòng)終端位置相關(guān)的信息獲得二者的位置關(guān)系，最后根據(jù)相關(guān)定位算法對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位的方法。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在欺騙干擾區(qū)域內(nèi)，使用移動(dòng)終端（手機(jī)）定位能快速、準(zhǔn)確地定位到移動(dòng)終端的具體位置，在去除誤差后與接收機(jī)的定位結(jié)果存在明顯差異，所以筆者認(rèn)為當(dāng)接收機(jī)定位結(jié)果與移動(dòng)終端定位結(jié)果滿足Pngt;P+γ時(shí)（其中，Pn為某時(shí)刻GPS測(cè)量位置，P為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位位置，γ為偏差常量），可斷定接收機(jī)位于欺騙干擾區(qū)內(nèi)。

4 民航GPS惡意干擾檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS定位技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)App中，例如導(dǎo)航、測(cè)量和旅游等，采用手機(jī)作為民航GPS惡意干擾預(yù)警系統(tǒng)（后稱預(yù)警系統(tǒng)）的硬件平臺(tái)方便快捷實(shí)用。系統(tǒng)采用搭載GPS芯片的Android操作系統(tǒng)手機(jī)作為開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)，來(lái)完成多（單）節(jié)點(diǎn)以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS欺騙干擾檢測(cè)本系統(tǒng)。

4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇Eclipse平臺(tái)，此平臺(tái)是Android操作系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的被使用的最廣泛平臺(tái)，具有的模塊化、易上手以及開(kāi)放性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要采用Java語(yǔ)言完成編寫，JDK 提供了Java運(yùn)行環(huán)境中需要的整個(gè)開(kāi)發(fā)工具和基礎(chǔ)類庫(kù)。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括3個(gè)主要功能模塊，分別為GPS定位模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位模塊以及惡意干擾檢測(cè)模塊，功能說(shuō)明如下。

4.2.1 GPS定位模塊

通過(guò)手機(jī)自帶GPS接收模塊獲得手機(jī)所處位置GPS位置，并顯示在手機(jī)屏幕上。

4.2.2 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位模塊

通過(guò)手機(jī)移動(dòng)信號(hào)定位手機(jī)所處位置信息，并顯示在手機(jī)屏幕上。

4.2.3 惡意干擾檢測(cè)模塊

輸入1個(gè)附近GPS定位數(shù)據(jù)，通過(guò)本機(jī)接收的GPS位置以及移動(dòng)定位位置，進(jìn)行多點(diǎn)、單點(diǎn)以及移動(dòng)定位輔助3個(gè)方法確定當(dāng)前位置的干擾情況。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，民航飛行安全對(duì)GPS以及類似衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性的依賴日益增強(qiáng)。作為民航安全運(yùn)行的參與者，必須未雨綢繆提前規(guī)劃，本文提出的單點(diǎn)、多點(diǎn)以及移動(dòng)定位技術(shù)輔助的干擾檢測(cè)方法，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)目前GPS干擾欺騙的預(yù)警以及檢測(cè)功能，方面快捷實(shí)用性強(qiáng)，為以后衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)干擾排查奠定了基礎(chǔ)。

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