衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)——
不容小覷的“定位漂移”
■文兆陽 姚昌松
衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)概念圖。陽 明供圖
據(jù)國外媒體報(bào)道，2023年9月，受“GPS欺騙”影響，多架飛機(jī)在伊拉克、伊朗空域飛行時(shí)，航線出現(xiàn)明顯偏差，其中一架飛機(jī)險(xiǎn)些在未經(jīng)許可的情況下誤入伊朗領(lǐng)空，形勢一度十分緊張。
無獨(dú)有偶。2013年，美國德克薩斯大學(xué)Humphreys團(tuán)隊(duì)利用一臺筆記本電腦和僅公文包大小的自制設(shè)備，偽造GPS信號，成功操控一艘造價(jià)8000萬美元的“白玫瑰”號超級游艇偏離航線，而游艇上的船員始終沒有覺察。
這為人們揭開了“衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)”的神秘面紗——當(dāng)我們依賴的定位系統(tǒng)被隨意篡改，所有基于位置的服務(wù)都將陷入信任危機(jī)。而從軍事角度來看，這項(xiàng)技術(shù)或?qū)?shù)字時(shí)代的攻防格局產(chǎn)生難以估量的影響。
那么，什么是“衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)”？其有哪些技術(shù)特點(diǎn)？又該如何應(yīng)對？請看本期關(guān)注。
悄然出現(xiàn)的威脅
遍觀世界各國，人們的生活幾乎已經(jīng)離不開衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
作為現(xiàn)代社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就像是人們的眼睛，是許多領(lǐng)域的重要支撐，能為交通運(yùn)輸、通信、金融、能源、軍事等領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的同步時(shí)間和位置信息，其應(yīng)用直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全。
自20世紀(jì)70年代美國研制出全球定位系統(tǒng)以來，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。據(jù)一份市場調(diào)研數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，2023年全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)2082.5億美元。
然而，令人們不得不高度警惕的是，伴隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，其受惡意攻擊的事件發(fā)生頻率也在呈增加趨勢。
一旦衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星接收機(jī)遭受欺詐信號干擾，就可能導(dǎo)致定位錯(cuò)誤、時(shí)間不準(zhǔn)，甚至對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。
以海上交通為例，當(dāng)一艘正在海上航行的貨輪受到衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐時(shí)，對方會首先發(fā)送完全正確的衛(wèi)星信號讓系統(tǒng)信任，繼而慢慢劫持整個(gè)系統(tǒng)。這種精密操控常常讓船上人員難以覺察到“定位漂移”。直至貨輪抵達(dá)對方“導(dǎo)航”的目的地時(shí)，船員才發(fā)現(xiàn)定位系統(tǒng)早已被“電子幽靈”劫持。
從某種意義上來說，越來越多導(dǎo)航欺詐攻擊事件的發(fā)生，正倒逼著整個(gè)導(dǎo)航定位生態(tài)的重構(gòu)。
事實(shí)上，衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)是一種極為隱蔽和極具針對性的攻擊形式，主要根據(jù)導(dǎo)航信號和擴(kuò)頻碼的特征規(guī)律對目標(biāo)進(jìn)行攻擊。借助欺騙干擾機(jī)發(fā)射與導(dǎo)航信號相同或相似而功率稍強(qiáng)的欺詐信號，使接收機(jī)誤以為欺詐信號是真實(shí)信號，導(dǎo)致接收機(jī)被誤導(dǎo)，從而產(chǎn)生虛假導(dǎo)航信息或者無法輸出導(dǎo)航信息。
早在2003年，美國德克薩斯州儀器公司的高級技術(shù)人員Scott就曾指出，通過構(gòu)造虛假衛(wèi)星星座或攻擊差分修正鏈路可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航欺詐。他還大膽預(yù)言，隨著衛(wèi)星定位經(jīng)濟(jì)效益的激增以及計(jì)算能力“全軟件化”的發(fā)展趨勢，導(dǎo)航欺詐或?qū)⒀葑優(yōu)槌掷m(xù)性威脅。
據(jù)公開消息，2011年12月，伊朗軍隊(duì)依托某信號干擾技術(shù)對RQ-170“哨兵”隱身無人機(jī)施展“電子擒拿術(shù)”，首次向世界展示了電磁環(huán)境的軟肋。
這一事件的發(fā)生，顛覆了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知：曾經(jīng)高高在上的隱身無人偵察機(jī)，竟能被無形電磁波俘獲。
雖然伊方始終未透露技術(shù)細(xì)節(jié)，但該事件催化了導(dǎo)航攻防技術(shù)的跨越式發(fā)展：從單純信號壓制升級為具備戰(zhàn)略欺詐能力的“電子木馬”。而“導(dǎo)航欺詐”這一曾經(jīng)技術(shù)專家們爭論不休的猜想，如今已成為科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
高超的“電子障眼法”
想象一下導(dǎo)航欺詐帶來的場景：地面道路交通系統(tǒng)突然癱瘓，船舶、飛機(jī)的駕駛員也無法意識到軌跡偏離，而問題一旦暴露，一切都為時(shí)已晚……相比于其他類型的電磁干擾技術(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)干擾范圍大，更具有隱蔽性和威脅性。
這套針對衛(wèi)星定位系統(tǒng)的“電子障眼法”，核心在于對信號的偽造與滲透，主要存在兩種信號生成模式：轉(zhuǎn)發(fā)式欺詐和生成式欺詐。
轉(zhuǎn)發(fā)式欺詐——首先對真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行截獲和存儲，然后將信號延遲播發(fā)，延長信號傳播時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到混淆用戶定位結(jié)果的目的。轉(zhuǎn)發(fā)式欺詐直接利用了真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號，無需分析信號內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以即使導(dǎo)航信號采用了破譯難度較高的軍用密碼，干擾機(jī)也可能對用戶設(shè)備實(shí)施欺詐。
生成式欺詐——生成式欺詐依托高精度衛(wèi)星信號模擬器，根據(jù)截獲真實(shí)信號的基本特征生成與真實(shí)信號強(qiáng)相關(guān)的偽隨機(jī)碼，生成與真實(shí)電文格式完全相同的欺詐導(dǎo)航電文，最終經(jīng)天線發(fā)射加載該電文的欺詐信號。
在電子戰(zhàn)和信號偵察領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)通過誤導(dǎo)敵方的電子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對敵方高價(jià)值目標(biāo)的捕獲或破壞，極大削弱敵方作戰(zhàn)能力。
借助衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)，攻擊者會高度復(fù)刻目標(biāo)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號特征，包括載波頻率、導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)及擴(kuò)頻序列等關(guān)鍵參數(shù)。由于偽造信號需與真實(shí)衛(wèi)星的時(shí)空參數(shù)保持毫秒級精準(zhǔn)同步，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)存在極高壁壘。這類“隱身式”攻擊信號往往與真實(shí)電磁環(huán)境融為一體，傳統(tǒng)導(dǎo)航終端難以通過常規(guī)手段識別出異常。
以戰(zhàn)場環(huán)境中裝甲車輛的導(dǎo)航系統(tǒng)為例，當(dāng)遭遇此類精密欺詐時(shí)，車載設(shè)備依然會持續(xù)輸出定位軌跡和運(yùn)動參數(shù)，儀表界面毫無告警提示。在作戰(zhàn)人員毫無戒備的情況下，這可能引導(dǎo)部隊(duì)誤入伏擊區(qū)域或偏離戰(zhàn)略要地，而這種隱蔽的位置欺詐往往在任務(wù)失敗后才會發(fā)現(xiàn)。
在電磁頻譜對抗領(lǐng)域，傳統(tǒng)壓制式干擾通常通過發(fā)射高強(qiáng)度的噪聲信號，進(jìn)而蓋過敵方衛(wèi)星通信的“聲音”。不過，這種方式影響范圍有限，并且易被電子偵察系統(tǒng)識別。相比之下，衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)可以生成與導(dǎo)航衛(wèi)星同頻的誘導(dǎo)信號，傳輸時(shí)具有空間泛在性優(yōu)勢。試想一下，未來城市作戰(zhàn)中，一個(gè)精心設(shè)置的欺詐源可以影響到周圍數(shù)公里甚至更大范圍內(nèi)的作戰(zhàn)單位，其對作戰(zhàn)進(jìn)程將帶來全局性、決定性的影響。
在軍事對抗博弈中，掌握制導(dǎo)航權(quán)猶如獲得戰(zhàn)爭之眼。衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)構(gòu)建的時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，堪比戰(zhàn)場的視覺感知系統(tǒng)，直接決定著作戰(zhàn)部隊(duì)的機(jī)動部署效率和精確打擊效能。在信息化智能化技術(shù)快速發(fā)展的今天，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的潛在安全隱患正在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)威脅。能否正確應(yīng)對衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)，已經(jīng)成為世界各國必須面對的重要安全問題。
多層次防護(hù)體系的構(gòu)建
隨著電磁空間的攻防博弈加劇，衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)或?qū)⒗^續(xù)進(jìn)化。在這一背景下，全球?qū)Ш桨踩Ｕ象w系需要進(jìn)行有效的迭代和升級。
事實(shí)上，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在體系設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮了抗干擾功能。目前，世界上主流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)建成和使用了抗干擾星載測距接收機(jī)、終端抗干擾單元等，具備抗干擾能力。
此外，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)密碼戰(zhàn)的背景下，世界各國還主動改進(jìn)應(yīng)對衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐的技術(shù)，保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性和可靠性。比如，美國國防部持續(xù)進(jìn)行新技術(shù)研究，通過加強(qiáng)對目標(biāo)接收機(jī)中間相位的準(zhǔn)確檢測等方式，進(jìn)一步改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線圖像識別技術(shù)，提高對衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)的識別和抗干擾能力。
與此同時(shí)，在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，量子導(dǎo)航、脈沖星授時(shí)等替代性的定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）技術(shù)也正在逐步走出實(shí)驗(yàn)室，向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。這些新技術(shù)有望在未來為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)提供有效的補(bǔ)充和替代方案，增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種新型的量子導(dǎo)航系統(tǒng)，利用連續(xù)3D冷卻原子束干涉儀，實(shí)現(xiàn)了在沒有GPS信號情況下的高精度定位。這種技術(shù)通過將原子冷卻到接近絕對零度的方式，極大地減少了外界環(huán)境對原子性質(zhì)的影響，使得測量更加精確。
這些年，導(dǎo)航信息安全逐漸成為世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)。
目前，世界各國正在加速建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測和響應(yīng)潛在的信號干擾及欺詐行為，保護(hù)國家安全和公共利益。
為了安全可靠地使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息，許多國家紛紛采取措施，綜合運(yùn)用多種抗欺詐手段，構(gòu)建多層次防護(hù)體系，反欺詐技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。首先，在射頻前端使用抗欺詐天線，降低欺詐信號的強(qiáng)度。其次，在信號處理階段，搭建單獨(dú)的跟蹤環(huán)路，實(shí)時(shí)跟蹤鎖定欺詐信號，并利用欺詐信號參數(shù)和其他輔助設(shè)備參數(shù)比對，消除欺詐信號。再次，通過結(jié)合人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將GNSS與其他導(dǎo)航方式相結(jié)合，借助不同導(dǎo)航方式的導(dǎo)航結(jié)果差異來進(jìn)行欺詐干擾檢測，如果差異超過設(shè)定閾值，則判定為受到欺詐攻擊，防止用戶設(shè)備對欺詐信號的誤判。
除了構(gòu)建多層次的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗欺詐手段，許多國家科研人員還致力于提高對欺詐設(shè)備的探測和毀傷能力。在實(shí)際工作中，欺詐設(shè)備運(yùn)行時(shí)會發(fā)出大量特征信號。工作人員通過技術(shù)偵察手段，可以對欺詐設(shè)備加以探測和定位。
比如，在戰(zhàn)時(shí)，可以在作戰(zhàn)區(qū)域范圍內(nèi)廣泛設(shè)置干擾源監(jiān)測設(shè)備和反干擾定位系統(tǒng)，找出敵方的欺詐設(shè)備，并運(yùn)用反干擾無人機(jī)或小型反輻射導(dǎo)彈等武器對其進(jìn)行精確毀傷，從而直接消除欺詐信號對衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的威脅。
目前，各國圍繞應(yīng)對衛(wèi)星導(dǎo)航欺詐技術(shù)的相關(guān)研究正持續(xù)展開，或?qū)⒂瓉硇l(wèi)星導(dǎo)航反欺詐技術(shù)更多進(jìn)步。
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