GNSS訊號的攻防戰：深入剖析干擾與欺騙原理及其先進偵測技術

GNSS的普及性與其內在的脆弱性平衡

全球導航衛星系統（GNSS）已然成為現代社會無數應用和服務的支柱，其重要性不僅體現在定位服務，更在於為各行各業提供高精度的時間同步解決方案；然而，這項普及的技術存在其固有的脆弱性，GNSS衛星在約兩萬公里的高空軌道運行，其發射功率約在百瓦級別 。這導致抵達地球表面的訊號極其微弱，非常容易受到各種形式的訊號干擾；因此，對於依賴GNSS的系統，尤其是安全關鍵型應用與基礎設施而言，深入理解這些潛在威脅的原理，並掌握有效的偵測與防護方法，已成為確保系統強韌性與可靠性的核心課題 。事實上，GNSS訊號干擾遠非僅僅是理論上的威脅，OHB Digital Solutions長期的監測數據表明，這類干擾幾乎是日常發生的現象 。

GNSS干擾 (Jamming) 技術原理剖析

GNSS干擾的核心目的在於利用大功率的無線電訊號，壓制或「淹沒」遠比其微弱的真實GNSS衛星訊號，使得GNSS接收機無法正常擷取、追蹤衛星，或導致其內部訊號處理環節飽和，最終無法輸出正確的定位、導航與授時（PNT）資訊。

干擾對GNSS接收機的影響路徑

干擾訊號主要透過以下幾種方式影響接收機：

• 自動增益控制（AGC）飽和：
  接收機前端的AGC會因偵測到強干擾功率而自動降低增益，可能導致微弱的真實衛星訊號被一併抑制在雜訊位準之下。
• 載波雜訊比（C/N₀）急劇下降：
  C/N₀是衡量訊號品質的關鍵指標，強干擾會顯著降低C/N₀，使得接收機的鎖相迴路（PLL）和延遲鎖相迴路（DLL）難以鎖定或維持鎖定衛星訊號 。
• 追蹤環路失鎖：
  即使短暫鎖定，干擾也可能導致追蹤環路頻繁失鎖。
• 錯誤的觀測量或無法解算：
  嚴重的干擾會使接收機無法提取有效的偽距、載波相位等觀測量，或即便有觀測量也因品質低劣而無法解算出有效的導航結果 。

常見干擾類型與特徵

工程師在設計抗干擾系統時，必須了解不同干擾類型的特性：

• 連續波（Continuous Wave, CW）干擾：
  • 原理：在GNSS頻段內的某個特定窄頻率上發射一個高功率的單音或窄頻訊號。
  • 頻譜特徵：在頻譜上表現為一根或數根窄而高的尖峰。
  • 影響：相對容易透過自適應濾波器（如陷波濾波器）進行抑制，但若功率極強或頻率接近真實訊號，仍具威脅。
• 掃頻連續波（Swept Continuous Wave, SCW）干擾：
  • 原理：干擾訊號的中心頻率在GNSS頻段內快速、週期性地來回掃描 。
  • 動態頻譜：其頻譜特徵是動態變化的，對接收機的鎖定環路構成持續挑戰。
  • 影響：比固定CW干擾更難抑制，因為濾波器需要快速跟蹤並適應變化的干擾頻率。如圖所示為一個典型的掃頻CW干擾訊號的功率譜密度（PSD）及其時頻特性 。
• 寬頻噪音（Broadband Noise）干擾：
  • 原理：在較寬的GNSS頻段（甚至整個頻段）內發射類似白噪音的訊號。
  • 頻譜特徵：頻譜相對平坦，整體抬高了頻段內的雜訊基底。
  • 影響：難以透過簡單的頻域濾波去除，對接收機的整體訊號處理能力構成嚴峻考驗，通常會導致所有通道的C/N₀同時下降。
• 脈衝（Pulsed）干擾：
  • 原理：以高功率、短持續時間的脈衝形式發射干擾訊號。
  • 影響：可能欺騙接收機的AGC機制，使其在脈衝間隙錯誤地放大雜訊；也可能透過瞬時大功率使接收機前端飽和或產生非線性效應。
• 調幅/調頻（AM/FM）干擾：
  • 原理：將干擾能量調變到特定的基頻波形上再發射，可能更具隱蔽性或針對性。GIDAS系統能夠對AM、FM等調變類型的干擾進行分類 。

GNSS欺騙 (Spoofing) 技術原理剖析

相較於干擾的「暴力」淹沒，GNSS欺騙則更為「精巧」與「惡意」，其目標是誘使GNSS接收機鎖定偽造的衛星訊號，並解算出攻擊者預設的、錯誤的PNT資訊，而接收機本身可能並未察覺異常。

欺騙攻擊的層次與複雜性

欺騙攻擊按其技術複雜度和危害程度，可分為不同層次：

• 訊號重播攻擊（Signal Replay Attack / Meaconing）：
  • 原理：攻擊者錄製在A地接收到的真實GNSS訊號，然後在B地（或在A地但稍作延遲）將其重播出來。
  • 侷限性：對於靜態或低動態目標有效，但難以應對高動態接收機；重播訊號與真實訊號間通常存在可被偵測的延遲與功率差異。
• 產生式/合成式欺騙攻擊（Generative/Synthetic Spoofing）：
  • 非精密/非同步欺騙：
    攻擊者根據公開的GNSS訊號規格（如介面控制文件ICD），產生結構上類似真實訊號但不與真實訊號精密同步的偽造訊號；接收機可能短暫鎖定，但易因與真實訊號的不一致而失鎖或被偵測。
  • 精密協同欺騙（Sophisticated Coordinated Spoofing）：
    這是最具威脅的欺騙方式，攻擊者首先微弱地發射與真實衛星訊號精確同步（時間、相位、功率、甚至都卜勒頻移）的偽造訊號，這些訊號攜帶攻擊者預設的錯誤導航電文（如星曆、時間參數），然後，攻擊者逐漸增大偽造訊號的功率，同時真實訊號可能被同步引入的低功率干擾所壓制，最終「平滑地」將接收機的追蹤環路從真實訊號「牽引」至偽造訊號上。此過程中，接收機的C/N₀等指標可能無明顯異常，傳統的基於單一指標的防欺騙手段難以奏效。

欺騙攻擊的關鍵技術挑戰

實施一次成功的精密協同欺騙攻擊，對攻擊者而言，在技術上需克服以下挑戰：

• 與真實訊號的時間/相位精密同步： 這是「拖拽」接收機的前提。
• 多個偽造訊號的功率協同控制： 需要模擬不同衛星的相對功率。
• 星曆參數的偽造與動態模擬： 偽造訊號需攜帶看似合理且動態演進的星曆參數，以產生攻擊者期望的PNT輸出。
• 都卜勒頻移的精確模擬： 需根據接收機的（預期）運動狀態和偽造的衛星軌跡，計算並生成相應的都卜勒頻移。

GNSS干擾的先進偵測方法與技術實現

針對上述多樣化的干擾威脅，學術界與工業界已發展出多種偵測技術。這些技術的核心思想是從接收訊號的不同維度提取特徵，判斷是否存在異常。

基於功率的偵測

• 接收總功率監測（Received Power Detector）：
  這是最直觀的方法，透過監測接收機前端射頻訊號的總功率或AGC的控制電壓來判斷，當有強干擾進入時，總功率會顯著上升，AGC增益會下降。
• 功率譜密度（PSD）分析（PSD Detector）：
  透過對接收訊號進行頻譜分析，觀察GNSS頻段內的功率分佈，CW或SCW干擾會在頻譜上產生明顯的尖峰或移動的峰值。

基於訊號品質的偵測

• 載波雜訊比（C/N₀）監測（CNR Detector）：
  C/N₀是衡量已鎖定衛星訊號品質的關鍵指標，干擾會直接導致C/N₀下降。
• 鎖相環（PLL）與延遲鎖相環（DLL）狀態監測：
  觀察PLL的相位誤差、DLL的碼環路帶寬等內部參數，干擾會使其波動增大或失鎖。

多演算法融合偵測策略：提升偵測強韌性

為應對多樣化的干擾類型並降低誤報，先進的監測系統，例如在OHB GIDAS 系列解決方案中所體現的設計哲學，通常採用多種偵測演算法的加權組合輸出，以提升偵測的全面性與可靠性；例如，GIDAS Embedded 提供的C++函式庫，便整合了如CNR、PSD、接收功率、都卜勒、偽距及PVT等多種偵測器，並提供即時決策指標；而GIDAS Stationary 系統，其支援的GNSS訊號涵蓋GPS L1/L2C/L5, Galileo E1/E5a/E5b/E6, GLONASS G1/G2, BeiDou B1等主流民用訊號 ，其干擾偵測概率對ICAO標準閾值可達99%以上 ，以及告警延遲通常小於6秒（平均小於3秒），正是這種多演算法融合有效性的體現。

OHB GIDAS 系列所採用的干擾偵測模型，整合了CNR、PSD、接收功率、都卜勒、偽距及PVT等多種偵測器的輸出，並依據風險閾值分級告警，確保了高偵測率與低誤報率。

OHB GIDAS 提供涵蓋固定式（Stationary）、移動式（Mobile）、便攜式（Portable）及嵌入式（Embedded）的完整監測方案，將先進偵測技術應用於不同場景。圖中展示了GIDAS不同產品形態的佈局。

實現上述干擾偵測模型的實體系統範例，如OHB GIDAS Stationary的硬體組件，包括感應器端處理單元（圖中左側兩個機箱）和監控中心伺服器（圖中右側機櫃）。

OHB GIDAS Portable 將GIDAS的強大偵測能力整合於堅固的便攜箱中，適用於臨時部署或移動監測任務，實現靈活的GNSS品質保證。

OHB GIDAS Rackmount 則提供了標準機架式解決方案，便於整合至現有的監控中心或數據機房，實現集中化的GNSS訊號監測與管理。

GNSS欺騙的先進偵測方法與技術實現

欺騙攻擊比干擾更難偵測，因其試圖模仿真實訊號。有效的偵測方法通常需要更細緻的訊號特徵分析和一致性檢查。

基於訊號特徵的偵測

• 相關峰形狀/多重性分析（Correlation Peak Detector）：
  真實GNSS訊號的相關峰具有特定的三角或梯形形狀，且通常只有一個主峰。偽造訊號的相關峰可能出現畸變、不對稱或額外的旁峰。
• 訊號功率異常：
  接收到的欺騙訊號功率可能遠高於預期的真實衛星訊號功率，或者與基於星曆和天線方向圖計算的預期功率不符。
• 民用訊號加密/認證：
  Galileo的OSNMA（Open Service Navigation Message Authentication）和GPS正在發展的Chimera等訊號層認證技術，是未來抵抗欺騙攻擊的根本性手段，透過加密簽章驗證導航電文的真實性。

基於一致性檢查的偵測

• 多星座交叉比對：
  同時接收來自不同GNSS系統（如GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou）的訊號，並比較其解算出的PNT結果，若存在顯著差異，可能指示其中一個或多個系統受到欺騙。
• PVT解算一致性（PVT Detector）：
  監測PNT解算結果的連續性、平滑性以及是否符合物理運動規律，例如，位置的瞬時跳變、速度或加速度的異常突變都可能是欺騙的跡象。
• 接收器時脈差行為分析（Receiver Clock Detector）：
  接收機本地時脈相對於GNSS時間的時脈差和時脈漂移通常具有可預測的行為模式，欺騙訊號可能導致這些參數出現異常波動。
• 都卜勒頻移一致性（Doppler Detector）：
  測量的都卜勒頻移應與接收機的運動狀態和衛星的相對運動一致，偽造訊號的都卜勒可能與此不符。
• 偽距/載波相位一致性（Pseudorange Detector）：
  檢查不同衛星、不同頻點的偽距和載波相位觀測量之間的一致性，例如，利用雙頻觀測量消除電離層延遲後，其殘差應在合理範圍內。

基於多天線的偵測

• 到達角（Angle of Arrival, AoA）分析（Spatial Correlation Detector）：
  透過在接收機上配置多個天線（天線陣列），可以估算每個衛星訊號的到達方向。真實衛星訊號來自天空中不同的預期方向，而欺騙訊號通常來自地面單一或少數幾個方向。
• 波束成形/零點抑制（Null-steering）：
  利用天線陣列，可以將天線方向圖的主瓣對準期望的真實衛星訊號，或在已識別的欺騙訊號方向上形成零點，從而抑制欺騙訊號。

接收機自主完好性監測（RAIM/ARAIM）

RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）及其增強版ARAIM（Advanced RAIM）是接收機內部利用多餘的衛星觀測量來檢測故障和潛在欺騙的方法，它透過比較所有可能的PNT解算子集的一致性來識別異常觀測值。

整合式欺騙偵測方案

與干擾偵測類似，有效的反欺騙系統也依賴於多種偵測技術的融合，如OHB GIDAS 系列中的反欺騙機制，便是多種技術的結晶，其欺騙偵測模型整合了CNR、空間相關性、相關峰、ARAIM、接收器時脈差及都卜勒等多維度檢測，旨在識別日益精密的欺騙攻擊 。

OHB GIDAS 系列的反欺騙偵測模型，透過整合多種如相關峰值、接收器時脈、空間相關性及ARAIM等先進偵測器，對欺騙訊號進行綜合評估與告警。
 

偵測演算法的驗證挑戰與模擬測試的角色

設計和實現上述先進的干擾與欺騙偵測演算法後，研發工程師面臨的下一個巨大挑戰是如何全面、可靠地驗證其性能，在真實世界中安全、可控、可重複地產生多樣化且參數已知的干擾與欺騙場景，幾乎是不可能的，且可能涉及法律風險。
因此，GNSS模擬器成為了研發與驗證偵測演算法不可或缺的關鍵工具；高階GNSS模擬器，如OHB XPLORA Pro 或具備優異成本效益的OHB XPLORA One，能夠在實驗室環境中精確生成各種標準的GNSS星座訊號，並疊加使用者自定義的各類干擾波形與複雜的欺騙攻擊序列。

如OHB XPLORA One這樣的GNSS模擬器，是驗證干擾與欺騙偵測演算法的理想平台，其可選配的干擾/欺騙訊號生成功能允許工程師在受控環境下進行全面測試。
 

工程師可利用XPLORA One 的多星座多頻段模擬能力（支援GPS L1/L2C/L5, Galileo E1/E5a/b, GLONASS G1/G2, BeiDou B1/B2等），及其高達25MHz（基於USRP N200）或2x100MHz（基於USRP X300）的模擬頻寬，對其設計的偵測演算法（例如欲整合入接收機韌體或類似GIDAS Embedded 的監測模組中的演算法）進行全面測試。其內建的高精度GPSDO參考時脈（與UTC時間偏差±50 ns RMS） 確保了模擬訊號的時序精度，而豐富的真實環境模擬能力（如電離層、對流層、多路徑、天線方向圖等）則使得測試結果更貼近實際應用場景。

對於需要模擬更複雜、多通道或即時高動態場景以測試先進偵測演算法的研發需求，OHB XPLORA Pro 等更高階的GNSS模擬器可提供必要的性能支援。
 

對於需要紀錄真實世界中發生的干擾事件，以便後續進行深入分析或回放以重複測試偵測系統響應的場景，OHB XPLORA Trace 這樣的GNSS訊號紀錄與回放系統則提供了有力的支援。

OHB XPLORA Trace 系統能高保真紀錄真實GNSS頻段訊號，包括潛在的干擾與欺騙事件，為偵測演算法的開發與驗證提供寶貴的真實世界數據。
 

總結表格：GNSS威脅、偵測技術與驗證工具

未來趨勢：AI賦能與多層次防禦

面對不斷演進的GNSS威脅手段，未來的偵測與防護技術也將持續發展：

• AI/ML在異常偵測中的應用：
  利用機器學習演算法分析海量的GNSS觀測數據，自動學習正常訊號的模式，並識別微小、複雜或新型的異常特徵，有望進一步提升偵測的靈敏度與智能化水平。
• 多層次、多感測器融合防禦：
  強韌的PNT系統不應僅依賴GNSS。整合IMU、視覺、光學雷達、地面無線電信標（如Wi-Fi, 藍牙, UWB, 5G）等多種感測器資訊，並在GNSS受擾時實現平滑切換與融合定位，是提升整體系統強韌性的關鍵。
• 訊號認證技術的普及與應用：
  隨著Galileo OSNMA等訊號認證服務的部署，接收機將能從訊號層面驗證導航電文的真實性，從根本上提升抗欺騙能力，研發支援這些新標準的接收機與偵測演算法將是重要方向。
• 協同式偵測網路：
  透過將分佈式的GNSS監測站（如GIDAS Stationary部署形成的網路）的數據進行匯總與關聯分析，可以實現對大範圍區域內GNSS威脅態勢的感知、干擾源的快速定位以及協同應對。

一個完整的GNSS威脅應對流程，涵蓋了從24/7持續監測、多維度偵測、事件分類與定位、即時告警、到後續的故障排除與制定規避策略等環節，體現了多層次防禦的理念。
 

結論：打造強韌PNT系統的持續演進之路

GNSS干擾與欺騙技術對依賴精準PNT服務的現代社會構成了持續且不斷演化的威脅。研發工程師必須深入理解這些威脅的原理，掌握其偵測與識別的關鍵技術，才能設計出真正強韌的PNT系統。這不僅需要在接收機內部整合如CNR監測、PSD分析、相關峰檢驗、PVT一致性檢查等多種偵測演算法，更要依賴於如OHB GIDAS系列這樣融合了多種先進偵測技術的專業監測系統，進行廣域或特定區域的訊號品質保障。同時，利用如OHB XPLORA系列的GNSS模擬器，在研發階段對偵測演算法和整個PNT系統的抗干擾、反欺騙能力進行全面而嚴格的測試與驗證，是確保最終產品可靠性的必經之路。這是一場攻防雙方不斷演進的技術競賽，唯有持續創新，才能在這場無形的戰爭中，守護我們對精準時間與空間資訊的信任。

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