卫星导航系统密码战欺骗与反欺骗技术及运用

航天工程大学士官学校 任思衡 杨保平 李华 李倩

密码与军事作战具有十分紧密的联系。早在公元前约500年的希波战争时期，希腊人就利用“隐文术”传递军事情报，最终赢得了战争的胜利；在长征时期，我军高度重视机要密码工作，通过破译国民党军队的密码，牢牢掌握了作战主动权[1]；在现代战争中，军事密码在指挥决策、情报传递、通信联络、武器制导等方面发挥着不可或缺的重要作用，围绕“军事密码运用与对抗”的密码战研究不断发展[2]。

随着人类进入太空时代，军事密码广泛应用于全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）的信号收发和信息传递。卫星导航系统凭借其“高精度、全天时、全天候、海陆空天一体”的优势被誉为现代军事力量的倍增器。在太空对抗行动中，阻止敌方利用卫星导航系统，保护己方和友军正常使用卫星导航系统，逐渐成为了行动的关键环节。基于国防建设和国家安全的需要，我国从20世纪80年代开始独立建设北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS），经过数十年探索，北斗三号卫星导航系统已于2020年建成并提供全球卫星导航服务[3]。在此背景下，加强包括北斗导航系统在内的卫星导航系统运用与对抗的研究具有十分重要战略意义和军事价值。

1 卫星导航系统欺骗技术

目前，美国、俄罗斯、中国、欧盟等国家和组织均建立了自己的卫星导航系统。在常规烈度的战争中，大国之间直接毁伤在轨卫星和地面控制站的作战方式，面临的政治风险较大，实现的可能性较低。而卫星导航系统欺骗技术作为一种电磁干扰手段，具有隐蔽性与高效性，政治风险低，干扰范围大，在实际作战中具有广泛的应用空间。

卫星导航系统欺骗技术是根据导航信号和扩频码（伪随机码）的特征规律进行攻击。欺骗干扰机可以发射与导航信号相同或相似，而功率稍强的欺骗信号，使接收机误以为欺骗信号是真实信号，导致接收机被误导从而产生虚假导航信息或者无法输出导航信息。卫星导航系统欺骗技术主要分为转发式欺骗技术和生成式欺骗技术[4]。相比于其他类型的电磁干扰，卫星导航系统欺骗技术更具有隐蔽性与威胁性，在作战中具有广阔的应用前景。在军事训练和实际作战中积极探索运用卫星导航系统欺骗技术，是卫星导航系统密码战的具体手段，可以实现干扰敌方导航设备，诱骗敌方作战部队，夺取战场主动权的目的。

1.1 转发式欺骗

转发式欺骗首先对真实卫星导航信号进行截获和存储，然后将信号延迟播发，延长星地信号传播时间，进而达到混淆用户定位结果的目的。转发式欺骗直接利用了真实卫星导航信号，无需分析信号内部结构，所以即使导航信号采用了破译难度较高的军用密码，干扰机也可能对用户设备实施欺骗[5]。为了让转发式干扰信号更易于被目标设备所捕获，通常情况下干扰信号会比真实卫星导航信号的功率略高[6]。

具体而言转发式欺骗可以采取2种实现手段。第一种方法是使用单个接收天线接收目标区域内所有真实的卫星导航信号，并经过统一的延时和功率放大处理后，再利用发射天线进行转发；第二种方法是采用高增益窄波束的阵列天线，让每个接收天线与区域内每颗卫星一一匹配，将不同的卫星导航信号附加不同的延迟时间后再进行转发[7]。

1.2 生成式欺骗

生成式欺骗根据截获真实信号的基本特征生成与真实信号强相关的伪随机码，调制与真实电文格式完全相同的欺骗导航电文，最终经天线发射加载了该电文的欺骗信号[8]。

具体而言，生成式欺骗可以采用3种实现手段。第一种方法是使用信号模拟源直接产生欺骗信号，且欺骗信号与真实卫星导航信号之间不要求严格的时间同步。当用户设备处在冷启动状态或被外界复杂电磁环境干扰，需要重新捕获卫星导航信号时，很容易受到干扰信号的欺骗；第二种方法是解析真实卫星导航信号，解调出导航电文并进行有针对性的修改。通过参考真实卫星导航信号的具体参数，使用信号模拟器对导航电文重新扩频，产生并播发欺骗电文；第三种方法是在第二种方法的基础上，并在完成解析真实卫星导航信号的情况下，依据目标用户的具体位置，构造与真实卫星导航信号相同但相位相反的欺骗信号。根据无线电波的干涉规律，这种欺骗信号会与真实卫星导航信号相抵消，导致目标卫星导航设备无法完成定位[7]。

2 卫星导航系统反欺骗技术

现有欺骗干扰技术对卫星导航系统的安全性和可靠性产生了一定威胁。对此，应该加强反欺骗技术的应用，防止卫星导航系统在实际作战中被敌方欺骗，在卫星导航系统密码战中筑牢防御之盾。

实际上，卫星导航系统在体系设计上已经考虑了抗干扰功能。目前，世界上主流的卫星导航系统已经建成和使用了抗干扰星载测距接收机、高安全性军码模块和保密芯片、地面站信号收发抗干扰单元、监测接收机全向抗干扰单元、终端抗干扰单元，具备一定的抗干扰能力。但在卫星导航系统密码战的背景下，仍需要主动改进反欺骗技术，保证卫星导航系统的安全性与可靠性。具体而言，可以从以下几方面加以改进。

（1）提高对高级欺骗技术的识别能力。目前，卫星导航领域高级欺骗技术不断发展，卫星导航系统存在着被欺骗干扰的风险。对此，可以通过加强对目标接收机中间相位的准确检测等方式，进一步改进卫星导航系统天线图像识别技术，从而更好地抑制真实信号无感欺骗等高级欺骗技术。

（2）加强对欺骗消除技术的研究与应用。对于终端设备而言，由于欺骗信号进入信号通道会带来跟踪环路误差，从而产生定位精度下降或环路失锁的现象，所以在设计终端信号检测系统时，不仅应主动检测到欺骗信号的存在，还可以结合人工智能技术和机器学习技术，采用更智能的滤波算法，加强卫星导航系统对欺骗信号的抑制和消除。

（3）采用带有对抗性峰值标识符和真实信号检索器的SemperFi模块。SemperFi模块包含了针对连续干扰消除设计的算法和子模块，能够恢复被掩盖的真实卫星导航信号。在导航设备遭到欺骗攻击期间，它能够实时跟踪真实的卫星导航信号并估算出用户的具体位置[9]。

（4）综合运用多种抗欺骗手段，构建多层次的防护体系。首先，可以在射频前端使用抗欺骗天线，降低欺骗信号的强度；其次，在信号处理阶段，可以搭建单独的跟踪环路，实时跟踪锁定欺骗信号，并利用欺骗信号参数和其他辅助设备参数比对，消除欺骗信号；再次，在信息处理阶段，可以通过完好性监测技术防止用户设备对欺骗信号的误判；最后，在数据融合层面，可以综合利用其他外源传感器的信息，通过缓变故障监测等方式，剔除剩余的被欺骗数据，并结合其他有效数据进行定位、导航和授时[10]。

（5）强化对欺骗设备的探测和毁伤能力。欺骗设备工作时会发出大量特征信号，通过技术侦察手段可以对欺骗设备加以探测和定位。战时，可以在作战区域内广泛设置干扰源监测设备和反干扰定位系统，找出敌方的欺骗设备，并运用反干扰无人机或小型反辐射导弹等武器对其进行精确毁伤，从而直接消除欺骗信号对卫星导航用户设备的威胁。

3 卫星导航系统机要密码抗欺骗干扰应用

短报文是卫星导航系统的一种功能，可以用于发布作战文书，下达作战命令，实现对部队的指挥控制。但由于卫星导航系统的短报文服务是开放式结构，存在着被敌方欺骗和利用的可能性。从理论上来讲，一台用户设备可以向其他所有终端用户设备发送短报文指令，用户之间收发短报文时，无法迅速准确地识别对方身份。

在针对卫星导航系统的密码战中，一旦具有短报文功能的终端用户设备被敌方俘获，由于身份识别仅依赖于发送方的声明，被俘设备有很大可能被敌方利用，发送虚假信息实施战术欺骗。尤其在高烈度的现代战争中，作战进程快，作战单元多，作战区域广，利用卫星导航系统的短报文功能实施欺骗具有很强的危害性。

对此，可以从以下两方面加强卫星导航系统的机要密码管理。一方面是根据终端用户设备配属对象不同，建立唯一的身份识别码。将用户身份识别码的序号按照编制序列、指挥层级加以区分，确保各个用户在收到短报文时，能较为明确清晰地了解发件人的身份信息，从而保证了作战文书、指令传递的准确性和真实性。另一方面，可以采取机要密码传输的常用方式，对部分短报文内容进行多层加密。战时，一旦传统通信手段失效又急需传输一些重要信息，可以利用公钥和私钥相结合的方式，对短报文内容进行二次加密或多次加密，再通过卫星导航系统进行播发。即使敌方俘获卫星导航用户设备或截获短报文内容，由于缺失公钥和私钥，既无法发送欺骗信息，也无法读取真实信息，从而保证了战时卫星导航系统的使用安全。

4 结语

三军之事，莫重于密。在新军事变革不断深入的今天，围绕卫星导航军事密码运用与对抗的密码战研究进一步发展。对此，应当积极运用卫星导航系统欺骗技术，改进卫星导航系统反欺骗技术，采取卫星导航系统抗欺骗干扰措施，加强卫星导航系统的机要密码管理工作，抢占信息化战争的“制导航权”，坚决打赢卫星导航领域的“密码战”。

引用

[1]刘飘.土地革命战争时期红军无线电通讯工作研究[D].成都:电子科技大学,2021.

[2]张继永.海上联合作战密码应用技术研究[J].数字技术与应用,2016(7):189.

[3]刘科,何磊.GNSS欺骗与抗欺骗技术研究进展[J].江苏海洋大学学报(自然科学版),2020,29(4):77-85.

[4]马海宁,潘颜楠,孙志.基于欺骗干扰技术的导航对抗新途径[J].指挥控制与仿真,2021,43(4):128-133.

[5]高扬骏,吕志伟,周朋进,等.卫星导航欺骗式干扰技术现状及展望[J].测绘与空间地理信息,2019,42(10):116-120.

[6]张伦东,张超,高扬骏.卫星导航欺骗及检测(二):基于接收机改进的欺骗检测[J].导航定位学报,2021,9(4):1-10.

[7]王君,郭妍,唐康华,等.卫星导航欺骗式干扰技术发展趋势综述[J].导航与控制,2022,21(1):13-24.

[8]JAHROMI A J,BROUMANDAN A,NIELSEN J,et al.GPS Spoofer Countermeasure Effectiveness Based on Signal Strength,Noise Power,and C/N_0 Measurements[J].International Journal of Satellite Communications and Networks,2012,30(4):181-191.

[9]ZHAO Z,CHEN Y A,ZHANG A N,et al.Experimental Demonstration of Five-photon Entanglement and Open-destination Teleportation[J].Nature,2004,430(6995):54-58.

[10]刘清秀,程玉,王国栋,等.北斗卫星导航欺骗与抗欺骗技术现状探讨[J].导航与控制,2021,20(4):24-32+23.