GPS干扰与欺骗的应对

一、GPS 干扰与欺骗的基本认识

（一）什么是干扰（Jamming）

干扰通常是由全球导航卫星系统（GNSS）频率上的信号干扰引起的。不过，干扰也可能由非故意因素导致，包括空间天气或能够在 L1 频率上辐射信号并干扰 GNSS 信号接收的故障设备。

故意干扰旨在压制非常微弱的 GNSS 信号接收器。除了军用干扰器，个人保护设备（PPD）这类设备也常被使用，它们容易获取且价格低廉，但在大多数国家是被禁止的。一些 GNSS 频段与某些雷达、其他卫星设备以及业余无线电共享，其他来源包括用于飞机导航的测距设备、电视谐波以及故障电子设备。例如，25W 的海事卫星传输在设计不佳的双频接收器附近，至少会 “屏蔽” 所有 GNSS 接收，最坏的情况下会 “烧毁” 接收器前端。

（二）什么是欺骗（Spoofing）

GNSS 欺骗是通过本地传输类似 GNSS 的信号，这些信号经过编码，使接收器误以为自己处于某个位置。

GNSS 欺骗攻击试图通过广播不正确的 GNSS 信号来欺骗 GNSS 接收器，这些信号的结构类似于一组正常的 GNSS 信号，或者通过重播在其他地方或不同时间捕获的真实信号。这些被欺骗的信号可能经过修改，导致接收器估计的位置与实际位置不同，或者位置正确但时间与攻击者设定的不同。

一种常见的 GNSS 欺骗攻击形式，通常称为 “携带攻击”，首先广播与目标接收器观察到的真实信号同步的信号。然后逐渐增加伪造信号的功率，使船只的 GNSS 接收器跟踪虚假信号，进而报告与真实信号不同的位置。旨在不被发现的 GNSS 信号欺骗是军事级技术，目前在和平时期不太可能出现。

（三）转发干扰（Meaconing）

转发式干扰是一种通过接收敌方雷达/导引头信号，经放大调制后转发形成假目标的诱饵干扰装置。 其利用相干处理增益降低干扰机功率需求，实现干扰样式多变、响应速度快等特点，广泛应用于雷达、通信及GPS等领域。 干扰机主要由接收天线、前置放大器、干扰信号调制器、末级功率放大器及发射天线组成，转发信号可欺骗敌方追踪诱饵。 针对此类干扰，学术界提出了基于能量函数、时频滤波及波形设计的对抗方法

“转发干扰” 是一种欺骗形式，即 GNSS 信号被重新传输，其所需设备比欺骗攻击所需设备更简单。

转发干扰攻击的来源也可能是 GPS/GNSS 中继器，例如安装在机场机库中的那些，用于在室内接收 GPS 信号进行测试。如果这种中继器的功率被有意或无意地增加，就会发送虚假位置。近期一些欺骗攻击报告被专家认为是转发干扰攻击。

二、检测与缓解措施

2017 年，国际海事组织（IMO）发布了 MSC.1/Circ.1575《船载位置、导航和定时（PNT）数据处理指南》，作为多系统船载无线电导航接收器的性能标准。国际电工委员会（IEC）正在基于 IMO 的《船载 PNT 数据处理指南》（MSC.1/Circ.1575）制定多系统接收器的测试规范，包括卫星增强系统（SBAS）以及其他无线电导航系统。

如果船上的设备符合 MSC.1/Circ.1575 规范，并且有多种类型的 GNSS 以及其他输入，系统在检测到错误时应发出警报，通知驾驶员位置丢失。已经存在符合 MSC.1/Circ.1575 指南的现代设备。INTERTANKO 建议船上的导航系统、设备和软件按照这些指南设计。

同时，公司应急措施中对于识别 GNSS 故障、 spoofing 或 jamming 作出了明确规定：

按照 MOM 中的位置验证要求，在 ECDIS 中验证 GPS 位置，可与雷达叠加（近岸时）、雷达 / 目视定位（近岸时）、推算航迹（DR）、估计位置（EP）、先前定位（远海时）、天文定位（远海时）、回声测深仪深度读数与海图对比等进行比对。

启用并监控 ECDIS 中主要和次要定位方法之间的位置偏离警报：在远海（无法使用雷达 / 目视定位 / 叠加）时，按如下设置 ECDIS 的主要和次要定位方法：

并在 ECDIS 中设置主要和次要定位方法之间的位置偏离警报，当主要（如 GPS 1）和次要（如 GPS 2、DR、EP）定位方法之间的差异超过预定义限值时，将发出警告。

3. 监控 GPS 诊断参数，包括精度因子（DOP）和信噪比（SNR）。

三、对驾驶员的指南

（一）检测 GPS 欺骗和干扰的行动

应包括使用雷达和电子海图显示与信息系统（ECDIS）叠加（覆盖或底图），在雷达上可见陆地时，这是识别干扰和欺骗的最佳方法。

按照《安全导航指南》（包括 ECDIS，INTERTANKO 2017）中规定的适当间隔进行位置验证。观察推算航迹（DR）位置（根据陀螺航向和计程仪距离得出的位置）与 GNSS 定位之间的显著差异。在合适的深度区域航行时，使用回声测深仪比较深度进行观察和验证。

（二）检测到干扰和欺骗时的行动

立即行动：

手动选择次要位置传感器。如果有其他 GNSS 输入，使用 “GNSS 差异” 警报检查定位源之间的微小差异。如果次要传感器无法提供船只位置，且没有其他方法输入定位信息，驾驶员应选择 DR 或估计位置（EP）模式。

如果离岸边足够近，开始手动标绘船位，并在可能的情况下寻求更大的海上空间。自动识别系统（AIS）可能也会受到干扰或欺骗攻击的影响，使用时应极为谨慎（这指的是其他船舶的位置可能受到攻击的影响，而非甚高频 AIS 信号）。

注意：AIS 虚拟导航辅助位置是正确的，因为传输的位置是真实的静态位置，并非来自 GNSS 信号。在沿海导航期间使用平行索引法保持安全距离并确定转向点。如果无法确定船只相对于导航危险物的位置，则停船。

情况相对稳定时：

频繁检查船只的 GNSS 位置，以检测服务何时恢复。做 “干扰和欺骗事件报告”

/1/DTG (DATA TIME GROUP)/UNIT LAT/ LONG POSITION AT REPORTING TIME//

/2/TRACK WHILE OBSERVING INTERFERENCES/FROM LAT/LONG-TO LAT/ LONG//

/3/DURATION WHILE OBSERVING INTERFERENCES − START AND END TIME//

/4/INTEFERENCE TYPE (SYSTEMS AFFECTED AND HOW)//

/5/ASSESED DIRECTION OR COVERAGE AREA OF INTERFERENCE//

/6/NAVIGATION – SECONDARY MODES OF NAVIGATION USAGE AND ACCURACY VS GPS SYSTEMS//

/7/COMMUNICATIONS SYSTEMS AFFECTED

/8/OVERALL ASSESSMENT OF OBSERVATIONS – PROVIDE FREE TEXT COMMENT ON THE EVENT AND

ADDITIONAL INFORMATION THAT CAN BE CONSIDERED INTERESTING.

Please submit reports to NSC by email to: info@shipping.nato.int

报告 GNSS 中断或异常。记录关键信息，如实际位置（纬度 / 经度）、日期 / 时间以及中断或干扰的持续时间。在可能的情况下，提供干扰期间设备故障的照片或屏幕截图，以帮助分析人员确定潜在原因。

使用纸质海图的船只：

继续使用替代定位或 DR 标绘。

正常操作期间：

定期检查位置和来源的传感器输入。

驾驶员应熟悉在操作限制要求时更改设置，参见下面的培训部分。

公司应急措施中对于检测到相关情况后的立即行动补充如下：

立即通知船长。

手动选择次要位置传感器并验证位置。

如果次要传感器无法提供船舶位置或发现位置不正确，在 ECDIS 中选择 DR 或 EP 模式作为定位方法。

使用 DR/EP 导航，并通过以下方式定期手动定位更新 DR/EP 位置：近岸时使用雷达和目视方位；远海时使用天文定位。

将回声测深仪深度读数与海图对比。

采用PI。

通知船舶交通服务（VTS）、港口控制 / 海岸当局、公司和指定岸上人员（DPA）。

可能的话，寻求更大的海域。

避开浅滩、关键进港区域等高风险区域。

能见度差或交通密集区域时减速。

4) Inform the Master immediately

5) Manually select a secondary position sensor and verify the position

6) If a secondary sensor is unable to provide vessel’s position or Position is found incorrect

a) Select the DR or EP mode as position fixing method in ECDIS

7) Navigate using DR / EP and update DR / EP position with regular manual fixes from:

Radar and Visual bearings if near to shore

8）Compare Echosounder depth readings against navigational chart

9) Employ parallel indexing techniques

10) Notify:

a) Vessel Traffic Services (VTS)

b) Port control / Coastal authorities

c) Company and Designated Person Ashore (DPA)

11) Seek greater sea room if possible

12) Avoid high-risk areas like shoals, critical approach zones

13) Reduce speed if visibility is poor or in traffic-dense areas

同时需注意：AIS 会受到干扰或欺骗攻击的影响，使用时应极为谨慎（这指的是其他船舶的位置可能受到攻击的影响）。而 AIS 虚拟导航辅助位置是正确的，因为传输的位置是真实的静态位置，并非来自 GNSS 信号。

四、对船东 / 经理的指南

船上的导航设备应遵循 MSC.1/Circ.1575《船载位置、导航和定时（PNT）数据处理指南》。多 GNSS 接收器将增强此类系统。确保所选的 ECDIS 系统具有与上述指南相称的警报管理功能，并制定适当的程序。

使用具有导航消息认证（NMA）的 GNSS 开放信号可以获得进一步的保护。考虑使用罗兰 / E - 罗兰接收器作为弹性系统的备份 / 一部分，以及检测干扰和欺骗的方法（注意：它们没有全球覆盖）。

五、培训

建议定期进行 GNSS 故障演练，以保持处理干扰和欺骗事件的熟练度。演练可包括 GNSS 传感器丢失或故障，以及需要使用手动输入的位置线（LOPS）操作 ECDIS（例如 DR 或 EP 模式，或通过 LOP 或回声参考）等情况。

值班驾驶员（OOW）需要识别受 GNSS 传感器故障影响的其他设备（如 AIS、数字选择性呼叫（DSC）、陀螺和雷达）。当 GNSS 信号恢复正常时，在沿海范围内且有条件的情况下，需要通过手动定位或雷达叠加进行位置交叉检查。

确认后，选择 GNSS 作为主要位置传感器并密切监控。演练的目的是培养检测 GNSS 干扰或欺骗的能力以及独立于 GNSS 的安全导航实践。

六、应对措施

（一）干扰应对措施

幸运的是，有多种缓解策略有助于克服干扰：接收器中的滤波，这对带外信号特别有效，但不幸的是，如果信号直接落在带内，仍可能压制接收器。为接收器配备惯性测量单元（IMU），即使是低成本的 IMU 也会非常有效。

使用自适应天线阵列，受控接收模式天线（CRPAs）对减轻所有类型的干扰极为有效，即使干扰落在 GNSS 频段内。未来可能会出现使用宽带 GNSS 信号（如伽利略 E5 或伽利略 PRS）的先进缓解技术。考虑使用 E - 罗兰接收器作为备份。

关于干扰，各种 GNSS 在不同频率上提供不同的服务。对于开放服务和根据 IEC 61108-3 进行型式认可的海事接收器，频率在 E1 和 E5 位置。使用不同的频率在一定程度上可以减轻攻击的影响，但并不一定意味着系统能在攻击中正常工作。为接收器 / 导航设备配备 IMU 和适当的警报管理计划将大大提高检测攻击的能力。

（二）欺骗应对措施

可行的欺骗应对措施包括使用阵列天线。然而，针对简单的欺骗攻击，监控某些 GNSS 接收器的关键性能指标（KPI）可能会成功，例如监控时钟跳变、异常或不合理的信噪密度比，或代码和载波测量之间的差异。向设备制造商咨询他们的设备如何解决这些问题。使用阵列天线（如 CRPA）有助于减轻干扰和欺骗事件的影响。然而，当考虑到船只拥有多个支持不同功能的 GNSS 天线时，就会出现需要保护哪些天线的问题。是将所有天线都替换为 CRPA，还是使用一个或两个受 CRPA 保护的 GNSS 接收器的数据为所有船舶系统提供 GNSS 数据？答案并不简单，成本可能成为一个问题。

此外，加密技术可能有效。某些类型的 GNSS 很快将提供导航消息认证（NMA），其中包含一些欺骗者无法生成的信号部分。

其他措施也存在，但需要软件和硬件支持（例如，软件：ECDIS 系统，硬件：GNSS 接收器）。这些措施包括：使用自适应天线阵列；飞轮算法，防止系统在 GNSS 接收器（ECDIS 或外部 PNT 软件）中立即出现位置和时间跳变；限制（位置）跳变 ——GNSS 接收器；为接收器配备 IMU，即使是低成本的 IMU 也会非常有效；在可用的情况下，考虑使用罗兰 / E - 罗兰接收器作为弹性系统的备份 / 一部分。

（三）转发干扰应对措施

针对转发干扰（即使用中继器），适用与欺骗类似的应对措施。唯一的例外是，加密技术（即加密导航消息、通过加密方式生成扩频码和 NMA）并不总是有助于对抗转发干扰，这取决于接收器的架构和抗重放功能。这是因为与欺骗攻击不同，中继器不需要知道它所转发的 GNSS 信号的结构。

七、长期行动

公司应急措施中规定了长期行动，具体如下：

频繁检查船舶 GNSS 位置，以检测服务何时恢复。

记录关键信息，如实际位置（纬度 / 经度）、日期 / 时间以及中断或干扰的持续时间。

在干扰期间提供设备故障的照片或屏幕截图，以协助调查和确定潜在原因。

14) Check the vessel GNSS position frequently to detect when the service is available again

15) Take note of critical information such as the actual location (latitude / longitude), date / time and the duration of the outage or disruption

16) Provide photos or screenshots of equipment failures during a disruption to assist in investigating and identifying the potential cause

八、干扰和欺骗事件报告

有几个系统允许船只和管理人员报告问题以及疑似干扰和欺骗攻击。国际工作组 IDM（干扰检测和缓解任务组）已成立，以协调国际社会在检测和报告干扰和欺骗方面的努力。它尚未建立国际报告机制，但这样的系统可能会在未来建立。

（一）GPS 问题报告

美国海岸警卫队导航中心（NAVCEN）欢迎有关服务降级、中断或其他事件或异常的报告。所有个人数据都将保密，仅在需要更多信息或需要进一步澄清时使用。

报告事件时，要求提交的内容尽可能完整。NAVCEN 建议在报告 GPS 问题之前遵循以下步骤：

重置设备，即关闭再打开设备电源；

确认 GPS 设备或 GPS 应用程序的设置；

参考设备手册；

更新设备软件或固件以及 GPS 地图软件；

联系设备制造商寻求额外帮助；

有关更多信息，请参考 GPS 常见问题页面。

如果 GPS 设备将人们引导到错误的地址或以其他方式引导到错误的位置，该问题很可能不是 “GPS” 问题，而极有可能是地图问题。要向 NAVCEN 提交报告

（二）伽利略事件报告表

欧洲 GNSS 服务中心（GSC）欢迎有关伽利略系统性能降级、中断、干扰或任何其他事件的报告。输入的信息将被处理，事件将被调查。提交需要一些必填字段，但所有个人数据都将保密，仅在需要更多信息或需要进一步澄清时使用。报告事件时，要求提交的内容尽可能完整。

（三）事件跟踪：北约

由于和平时期 GPS/GNSS 干扰必须被视为对导航安全的威胁，各自的海军区域协调员负责发布警告并跟踪事件。北约关注网络安全，并请求协助报告，以便构建这一活动的全面情况并评估在 maritime 领域的影响。北约航运中心（NSC）仍然是商船和航运公司的联络点。请报告以下内容：

1.日期时间组（DTG）/ 报告时的单位纬度 / 经度位置；

2. 观察干扰时的航迹 / 从纬度 / 经度到纬度 / 经度；

3. 观察干扰的持续时间 —— 开始和结束时间；

4. 干扰类型（受影响的系统及方式）；

5. 评估的干扰方向或覆盖区域；

6. 导航 —— 使用的次要导航模式及其与 GPS 系统相比的准确性；

7. 受影响的通信系统；

8. 观察结果的总体评估 —— 提供关于事件的自由文本评论以及可被认为有趣的其他信息。

请通过电子邮件向 NSC 提交报告：info@shipping.nato.int，或发送至北约航运中心，大西洋大厦，诺斯伍德总部，英国，电话：+44 (0) 1923-956574，传真：+44 (0) 1923-956575。

九、GNSS 类型

GNSS 是一个全球性的位置、时间和速度无线电测定系统，包括空间、地面和用户部分（IMO A.915）。对于 maritime 用户，船级社将认可符合全球无线电导航系统（WWRNS）定位设备搭载要求的 GNSS，即 IMO 决议 A.1046（27）全球无线电导航系统（WWRNS）。GNSS 类型包括美国的 NAVSTAR 全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）、欧洲的伽利略系统和中国的北斗导航卫星系统。

GNSS 的性能通过四个标准评估：

准确性：接收器测量的位置、速度或时间与实际值之间的差异;

 完整性：系统提供置信度阈值的能力，以及在定位数据出现异常时发出警报的能力；

连续性：系统不间断运行的能力；

可用性：信号满足上述准确性、完整性和连续性标准的时间百分比。

（一）美国的 NAVSTAR 全球定位系统（GPS）

全球定位系统（GPS）是美国拥有的公用事业，为用户提供定位、导航和定时（PNT）服务，具有全球覆盖范围。美国空军开发、维护和运营空间和控制部分。有一个名为 IIIA 的现代化计划正在进行中，第一颗卫星计划于 2023 年发射并完成。这很重要，因为 GPS III 将广播 L1C（与伽利略 E1 共同的信号）。该系统还预计将开发导航消息认证（NMA）服务（见后面关于导航消息认证的部分）。

（二）俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）

GLONASS 是一个基于空间的卫星导航系统，在无线电导航卫星服务中运行。它提供了 GPS 的替代方案，是第二个具有全球覆盖范围和相当精度的导航系统。GLONASS 卫星设计经过了多次升级，最新版本 GLONASS-K2 计划在不久的将来投入使用。GLONASS 使用所谓的频分多址（FDMA）方法，而 GPS 和伽利略使用码分多址（CDMA）技术。然而，正在进行的现代化计划也将包含 CDMA。

（三）伽利略 —— 欧洲全球卫星导航系统

伽利略是欧洲的 GNSS，在双频使用方面提供改进的服务。伽利略近年来取得了重大进展，目前已投入使用，并将在 2020 年实现全球覆盖。该计划旨在与所有现有和计划中的 GNSS 兼容。

船长 刘竹元