在真实环境中进行GNSS/GPS干扰和诈骗测试
科技的进步已为各种威胁敞开了大门，尤其是在数字科技方面。微弱的 GNSS/GPS 讯号容易受到干扰，这通常有会两种情况：干扰或诈骗讯号。GNSS/GPS 干扰是指外部来源对频率的干扰。它会导致接收器丢失定位讯息；第二种威胁是诈骗，是指利用伪造的 GNSS/GPS 讯号干扰接收器，藉由显示错误的位置或时间来欺骗用户。
GNSS/GPS 干扰器和现场测试
我们越来越常听到有关干扰和诈骗 GNSS/GPS 讯号的情况发生，也因此业界对这类威胁的警觉正不断地提高。所以，我们需要更努力地建构抗干扰和防诈骗的解决方案。
十多年来，专家们一直在受控环境（实验室）中评估 GNSS/GPS 的抗干扰和防诈骗功能。然而，这些测试无法全面性地分析和涵盖接收器在干扰或诈骗攻击下的行为。为此，现场测试验证是必要的；它们可用来弥补实验室测试的不足。
户外测试能够：
‧ 在真实的用户环境中找出典型干扰和诈骗讯号的特征;
‧ 验证接收器的抗干扰和防诈骗能力;
‧ 了解接收器在动态条件下，出现干扰和诈骗时，所表现的行为.
这些验证对于厘清实验室与真实环境的落差至关重要，并可依此提高接收器的抗干扰韧性。
对工程师而言，由于 GNSS 频段的保护，要跨出实验室，到实际道路上进行测试是很困难的。除非有主管机构的特别许可，否则在 GNSS 频段上广播射频讯号是不合法的。因此，很感谢挪威当局第二次举行 Jammertest 2022现场测试。由于他们的努力，来自欧洲各地的 GNSS 制造商和其他技术供货商才能藉此机会进行测试。
现场测试
挪威北岸是Jammertest 2022的测试场域。一组专家与挪威当局一起开展了一项计划，以评估正常大气条件下的 GNSS/GPS 干扰和诈骗。
一百多人一起工作了一个星期，利用此密集的干扰和诈骗测试评估他们的设备。这项测试是在不同的道路以及不同的天气条件下进行的，有三个主要区域被设定为干扰和诈骗频段的场景：一个高干扰器测试区域，以及两个低效干扰器测试区域。
图一 : 现场测试
挪威通讯管理局或警方为此次活动没收了很多 GNSS/GPS 讯号干扰器，其中有部分是在网络上找到的，虽然它们是不可以在公众场合上使用的。
测试分为两类：干扰场景和诈骗场景。干扰测试又进一步分为两组：具有 CW 和 PRN（BPSK 调制）干扰讯号的高效干扰器和低效干扰器（带宽扫描型）。至于诈骗测试，专家们考虑了两种类型：基本攻击和进阶攻击。基本攻击包括透过评估一个给定的位置和时间来诈骗 L1 C/A 卫星讯号。进阶攻击则涉及不同时间范围（时间区间、频率区间或假闰秒）下的同步户外 GPS L1诈骗讯号。
表一显示在一星期的实验期间，所采用的不同类型测试和规范。
表一 在实验期间采用的不同类型测试和规范
测试项目 | 规范 |
一般统计测试 低效干扰器和高效/个人干扰器 | 低效干扰器 （1. l.j.a） 专家在车内和车外有 GNSS 讯号干扰器的情况下，进行了所有测试（单频段、双频段和多频段） 高效干扰器。 调制方式：L1； L1, G1; L1、G1、L2； L1, G1, L2, L5i |
干扰 增强测试，以及不同讯号类型和频段的测试 | 功率从 2nW 上升到 20W EIRP（100dB 动态） 每次增强 2dB 先上升然后再下降 定向天线（右旋圆极化）
上升 1: 仅L1 ， CW; 上升 2: 仅L1 ， PRN; |
干扰 增强测试，以及不同讯号类型和频段的测试。在更长时间内使用干扰器进行测试 | 使用高效 GNSS 讯号干扰器 （20 W） i 进行长时间干扰 高效干扰器 i. 第一节中未涵盖的频段和组合（B1l、G2、E5b）ii |
干扰 使用静态高效和低效干扰器在道路上进行驾驶测试 | 第1部分 以高效干扰器（5W 或更低）i 长时间干扰下驾驶 以干扰器在车内或附近车辆内的情况下驾驶 i. 三辆汽车组成的车队，中间车辆装有干扰器ii
第2部分 |
干扰 在有动态干扰器的情况下，在道路上进行驾驶测试 | 第1部分 干扰器在迎面而来的车内 - 车队遇到有干扰器的车辆（两辆装有干扰器的车辆相距五分钟） 干扰器在车内，停在路边 - 车辆停住不动，内装有干扰器；有其他车辆经过 更多的驾驶场景v
第2部分 |
诈骗 基本诈骗攻击与干扰攻击相结合 | L1 C/A 诈骗 i. 给定位置； ii. 给定时间； iii. 给定位置和时间； iv. 漂移位置
|
更进阶的诈骗攻击与干扰攻击相结合 | i. GPS L1 CA 和/或 伽利略 E1 讯号结合多星系、多频段干扰 ii. 同步 GPS L1/伽利略 E1 诈骗 iii. 操控诈骗讯号时间讯息 |
测试和展示测试的创新想法 | 展示 前几天的新测试想法 |
i 专家重复所有测试两次，首先使用 CW，然后使用 PRN （BPSK）
ii 在 Bleik 附近驾驶
iii 在 Grunnvatn 进行了一次宽松的测试，使用未在第 1 部分使用的干扰器
iv 在 Grunnvatn 附近驾驶
v 可以到处开车
结果
在这些条件下绕着 Andoya 行驶并克服障碍（例如在记录活动时也同步讯号），以便能更了解接收器在干扰和诈骗期间的行为。在为期一周的测试期间，得到的主要观察结果为：
一、由于讯号处理和缓解技术，接收器展现出坚韧性，提升了位置和时间的可用性。
二、提升位置和时间可用性的最重要因素是，对多个频段和传感器数据的处理，如下列所示：
1.当具有传感器数据（DR）的单频接收器丢失 GNSS 定位/讯号时，它仍然可以透过 DR 提供位置和时间讯息。
2.当多频接收器丢失了受干扰频段的讯号时，它仍然可以根据第二个频率提供 GNSS 定位/讯号。
图二说明在 L1 频段上，有高效 GNSS 讯号干扰器（20 W）进行长时间干扰的场景。该图显示了为估计位置、速度和时间，每个频段所使用的讯号数量。
图二 : 在 L1 频段上，有高效 GNSS 讯号干扰器（20 W）进行长时间干扰的场景。
讯号数量的减少可对应至接收到的干扰功率，主要是由与干扰器的距离而定。干扰源附近没有来自 L1频段的讯号，L2 频段接收受到大量干扰（20 W 发射功率）的影响。尽管如此，即使在此情况下，接收器也可以侦测到至少四个卫星讯号，以提供准确的位置、速度和时间解决方案。
三、在大多数情况下，即使在高效干扰期间 ，干扰也不会显著影响位置和时间的准确性，更不用说基本干扰了。
图三显示了其中一辆车辆在测试期间为获取讯息而遵循的轨迹，车子是行驶在开阔的Bleik乡镇。在此情境中，车子首先迎向干扰器，然后再远离它。 
图三 : 在Bleik 周围进行动态、有高效干扰器的测试结果
u-blox ZED-F9P接收器在整个测试期间均能有不错的准确度，因为当干扰器导致 L1 GNSS/GPS讯号丢失时，接收器能使用 L2 讯号进行导航，在干扰期间，仍能有可接受的准确度约为6公尺（街道宽度）。
以u-blox F9平台为基础的系列模块，除了内建抗干扰和基于传感器的防诈骗技术外，并具备IMU 数据、数字式车速信息和车辆动力学，即使在无法取得 GNSS 服务的情况下，也能实现精确可靠的定位和车辆姿态（attitude）预估。
结论
测试中所使用的规范和时间范围，使参与者能够更了解接收器，在真实环境中面临干扰和诈骗时的行为表现。经由此测试，技术开发人员可以获得相当丰富的结论。对u-blox来说，这是在真实环境中，评估目前 GNSS 接收器的韧性的绝佳机会。我们还同时获得提高未来装置安全性的洞见—这也是我们在发展产品时，最关注的一个层面。
（本文作者Philipp Richter为u-blox资深系统架构师）
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