最有韧性的接收机：抵御GNSS干扰和欺骗

最有韧性的接收机：抵御GNSS干扰和欺骗

挪威JammerTest结果——Septentrio定期验证并提升其GNSS核心技术的韧性

全球范围内，PNT（定位、导航、时间）系统的韧性需求日益增长。美国总统签署了一项行政命令，通过PNT服务加强国家韧性。地缘政治紧张局势要求航行战（NAVWAR）区域的行动加强安全。对于许多GNSS应用，如参考网络、无人机监控或传输以及时间同步，PNT的劣化或丢失后果可能非常严重。这就是为什么用于这些关键任务应用的GNSS接收器需要具备最高水平的韧性，以便在复杂环境中稳健运行。

AIM+的反干扰和反欺骗功能针对实时GNSS干扰

Septentrio为接收机提供了对有意和无意GNSS干扰和欺骗的最高韧性*。在实时干扰条件下测试接收技术对于验证和持续改进抗干扰和反欺骗算法至关重要。这就是为什么Septentrio参加了由挪威政府在偏远岛屿安多亚组织的JammerTest活动，在受控环境中进行实时干扰测试。尽管塞普滕特里奥经常参与此类测试，但许多活动属于机密，结果无法公开。JammerTest是少数鼓励分享或分享结果的此类公开活动之一。

经过在挪威为期5天的密集测试，Septentrio 专有的 AIM+ 反干扰和反欺骗技术证明在实时干扰条件下有效。测试结果显示，在实干涉下，接收技术起着关键作用，而天线技术则起辅助作用。通过在各种欺骗攻击下测试接收机，结果显示最佳的伪装防护在于多种反欺骗机制协同工作。

大型航空航天与国防公司萨博也参加了JammerTest活动，验证了其高要求空中交通管理系统中使用的Septentrio接收器的耐久性。

 

JammerTest 2024 结果

图1：Septentrio接收机（橙色）即使受到非常强的干扰也未扰，而两台竞争接收机（红色、蓝色）却显示错误位置。

在挪威为期五天的赛事中，Septentrio接球手与多位竞赛接球手在各种干扰场景下进行了测试。这张图展示了一次静态测试，在极其强大的干扰条件下评估多个接收机——这些信号强度是GNSS信号的1000万倍。蓝线和红线代表两个竞争的接球手，由于干扰的影响，它们的定位相差数百米。相比之下，橙色显示的Septentrio接收机展现出对GPS/GNSS干扰的卓越韧性。它始终提供准确的GNSS定位，同时主动探测并发出干扰信号。

在现实场景中，失去GNSS定位会严重干扰运营，导致代价高昂的延误、作效率低下和声誉损害。例如，受干扰影响的无人机可能失控坠毁。即使是配备自动驾驶的先进无人机，也可能进入“悬停”、“着陆”或“环形”等备用模式，或切换到惯性导航系统（INS）等替代传感器。然而，由于缺乏可靠的绝对定位，这些传感器容易随时间漂移。

即使在GNSS欺骗攻击中，干扰通常最初也用于破解接收器对GNSS信号的“锁定”，以提高在重新采集时被欺骗信号被接受的可能性。

防伪装的GNSS接收器

下图展示了一次测量测试，比较了Septentrio接收机的性能与高端竞赛接收机。测量是一种伪装形式，记录GNSS信号后以时间延迟重传。伪装接收机随后“相信”自己位于用于记录GNSS信号的天线位置。测试过程中，车辆沿海岸公路行驶时，Septentrio接收机（橙色线）保持了准确定位。相比之下，竞争对手接收机（红线）被伪装，报告其位置为山上——即干扰测试中使用的干扰传输天线位置，如本文封面图片所示。

图2：车辆测试显示，Septentrio接收机（橙色）对类型识别的GNSS伪装具有韧性，而竞争对手接收机则被伪装到山顶。

危险：无预警伪装位置

图3：高GNSS欺骗缓解（绿色）和伪装检测（红色，标记）的组合表明，Septentrio接收机在各种欺骗攻击中表现得非常可靠，相较于其他4款RTK竞争对手接收机。

此图展示了在为期5天的活动中，各种接收机在欺骗测试中的表现总结。绿色部分代表正确位置或成功伪装缓解的百分比。灰色表示接收者在伪装过程中报告无位置的比例，红色表示接收器显示伪装位置的比例。

即使在复杂的伪装攻击下，Septentrio接收机也表现出极少的伪装定位，并且能够持续检测并标记伪装，展现出态势感知能力。相比之下，三家竞争对手接收器在许多情况下未能识别伪装，显示错误位置且未向系统预警潜在风险。

图4：随着GNSS时间被伪造，Septentrio接收机持续提供正确的时序信息，而竞赛接收机显示的时间错误。

GNSS时序的弹性验证

下图显示了一次被伪造GNSS时间的测试结果。Septentrio接收机保持了准确的时序，而竞争对手的接收机则被伪造并显示错误的时间。电信、电网和金融机构等应用依赖于精确的GNSS时序。恶意伪装可能导致停机，总损失高达数百万美元或欧元。投资于具备韧性的GNSS技术对于保护关键任务系统及其依赖用户至关重要。
 

多层接收机保护非常值得

在2024年JammerTest期间，配备AIM+技术的Septentrio接收机展现出对高功率干扰器和各种欺骗行为的卓越抵抗力。这一性能体现了她25年来开发可靠GNSS定位技术的专业知识，涵盖多层保护：

• 多频技术用于信号多样性，确保在干扰或欺骗时有备份
• 加密信号认证（OSNMA）用于验证真实信号
• 异常检测由多年实地观测持续更新的大数据驱动

正如新闻报道所示，由于发射机硬件和信号模拟软件的普及，GNSS欺骗越来越普遍。欺骗比干扰风险更大，不仅可能干扰作，还能控导航系统，可能导致计划性碰撞或盗窃。 在接收核心保护系统是确保系统稳健可靠运行的最有效策略。

了解更多关于AIM+反欺骗技术的信息，或下载我们全面的GNSS欺骗宣传册。下面的视频是Septentrio在JammerTest 2024成绩的总结。欢迎将此视频分享给对坚韧可靠站位感兴趣的人。

经过验证，真伪

始终准确且可用的定位、导航与时间或保证PNT是工业或关键作在复杂环境中成功的关键。通过定期参与如干扰测试等现场活动，Septentrio的反干扰和反欺骗技术不断测试和改进，以抵御最新的干扰攻击。该技术也被现场用户证实有效，他们在恶意干扰的地点使用Septentrio接收器，如靠近争议边界。

虽然防干扰天线可以在加固系统中发挥作用，但保护系统最有效的方法是使用具备先进反欺骗和反干扰（AJAS）保护的接收机。为了欺骗，这意味着需要包含多层保护，以保护接收机免受各种攻击。Septentrio接收机有多种格式，从坚固的盒子到原厂电路板和紧凑型模块，如低重量、低功耗的mosaic-X5模块接收机，该模块易于集成，并兼容Pixhawk、ArduPilot和PX4 Autopilot等流行自动驾驶仪。如需了解更多关于韧性GNSS接收器和技术的信息，请联系Septentrio。

 

图1 在实时GNSS干扰中，测试车上的Septentrio接收器可以提供准确的定位，而竞争者的接收器在一段时间后会失去定位。

AIM+检测并减轻GNSS干扰

右图显示，在车内干扰Septentrio GNSS接收器时，全线（橙色轨道）提供了准确定位，而高端GNSS/INS竞赛接收器则丢失了两次定位（红色轨道）。

图2：在移动汽车干扰测试中使用了常见的“点烟器”型干扰器。图片来源：Testnor。

测试中使用了“香烟”干扰器，这是最常见的干扰器类型之一，且可以轻松在网上购买。它发射功率在10-15 dBm之间的信号，并干扰GPS的L1和L2信号。其他干扰测试包括信号强度高出GNSS信号1000万倍的强力干扰器。

下图展示了使用“香烟”低功率干扰器进行的移动干扰测试结果。信噪时间图显示，当干扰开始时，跟踪的GNSS信号质量下降。顶部显示的Septentrio接收机继续跟踪信号并输出定位，而竞赛接收机则会在一段时间内失去定位。

图3：随着GNSS信号开始扰，其质量下降，如信噪比图所示。Septentrio接收机负责跟踪和定位，而竞赛接收机则在一段时间内失去定位。

在为期1天的密集干扰测试中，配备AIM+的接收机在从简单连续窄带干扰到最复杂宽带传输等多种干扰形式下，展现出了99.5%的定位可用性。

神奇的就在GNSS接收器里

对于关键任务应用，防干扰天线可以在实现最大程度的射频干扰抗阻方面发挥作用。在干扰测试期间，3台接收机在强度多频宽带干扰下进行了测试，并配合不同级别的天线。下方的信噪时间图显示了本次测试中的信号质量。在上图中，配备标准宽带螺旋天线的接收机没有AIM+防干扰技术，因此在干扰过程中会立即失去对卫星信号的跟踪。使用相同天线但带有AIM+的接收机继续跟踪信号并传递定位（见中图）。底部图展示了一台配备AIM+的接收机，配合防干扰天线。信号质量的下降略小于标准天线，接收机仍会跟踪信号并传递定位。

 

图4：在重度干扰时，配备AIM+的Septentrio接收机减少干扰并提供定位（中图）。使用防干扰天线可以提升信号质量和定位（见下图）。无AIM+：无定位（上图）

对各种防干扰天线的测试显示，由于天线的存在，干扰减少了约10 dB。虽然像AIM+这样的先进防干扰技术在干扰下的定位可用性中起着关键作用，而天线则起到辅助作用，在干扰强度仍略高于接收机的减缓能力时，能够提高定位的可能性。虽然防干扰天线对宽带“白噪声”干扰有效，但对其他类型的干扰效果较差。

全面的反欺骗需要多层保护

黑客利用各种类型的伪装手段劫持定位、导航或时间，从简单的异步伪装到几乎与真实GNSS信号相同的复杂同步伪装。为了获得最高程度的反欺骗保护和态势感知，接收器需要多层保护（更多信息请参见我们的GPS欺骗宣传册）。

AIM+检测、标记并缓解GNSS欺骗行为

下图展示了在GNSS欺骗攻击中，多个不同接收器在行驶中的汽车中的位置。

在挪威JammerTest 23的一次实时欺骗攻击中，一辆车内的Septentrio接收机在海岸公路（每张图片中为橙色轨道）保持在轨道上，而竞争对手的接收机（蓝色、绿色、红色轨道）则被伪装并显示错误位置。

视频中的图中，Septentrio接收器（每张图片中橙色轨迹）用于减少GNSS欺骗，并准确显示沿海公路的定位，而竞赛接收器（左侧蓝色轨迹）则伪装，显示“飞行”直线越过山脉。中间的图展示了另一个竞赛接收机（绿色），显示与蓝色轨迹相同的伪造轨迹，但带有离群值。右图显示第三个竞赛接收机（红色），它受到欺骗的强烈影响，并传递错误位置，这些位置与传播器传输的信号不同。在这次欺骗攻击中，Septentrio接收机凭借其深入的多频能力保持了跟踪，这使其通过切换到其他“健康”的替代星座信号来减轻欺骗风险。

Septentrio接收器能够持续检测GPS欺骗行为

在挪威的多次实时欺骗测试中，从多个接收器收集了数天内大量数据。下图显示，与竞争对手不同，Septentrio接收器能够持续检测并标记各种类型的伪装，并标记所有伪装可能导致重大定位错误的情况。伪造将系统“放置在”远离真实位置的位置尤其危险，因为可能导致碰撞、系统损坏或危及旁观者安全。
 

图6 红色条表示未检测到的伪造定位，且有较大误差。Septentrio接收器同时使用多种机制检测伪装，并标记所有带有大错误的伪装位置。

在JammerTest活动中，竞赛接收器的伪装旗帜并未出现。图表显示，这些接球手在相当大的时间里报告的位置偏差超过10米，原因是伪造行为。其他时期误差小于10米，甚至根本没有位置报告。

OSNMA 伽利略信号认证检测 GNSS 欺骗

另一层防欺骗保护是导航消息认证（NMA），它利用密码学技术检测错误生成的信号。下图展示了伽利略的OS-NMA工作过程。
 

图7：在此次伪装攻击中，Galileo的OSNMA认证机制检测到伪装，如接收端网页用户界面所示。

虽然OS-NMA对许多类型的伪造有效，但仍可能被“meaconing”欺骗，这是一种复制并重传真实信号并带有时间延迟的伪装方式。这就是为什么NMA应配合其他保护方法，如高级异常检测，以实现全面的伪装安全。

致力于持续改进和安全

为了维护安全，持续更新电脑和作系统可能显得繁琐，但我们都认识到定期更新对于确保系统安全和有弹性至关重要。同样，Septentrio积极参与JammerTest等活动，验证其反干扰和反欺骗算法。这些活动还提供了宝贵的数据，使我们能够持续提升技术水平，实现更高的韧性水平。
 

* 干扰是一种无线电干扰，当GPS频率被其他无线电波压倒时，导致精度下降或事件完全丢失位置。欺骗是一种恶意的无线电干扰形式，通过向接收器发送误导信号，导致坐标错误，使目标偏离其预定轨道。