GPS干扰危机探因与干扰器破坏范围解析

自2000年全面向民用开放以来，全球定位系统(GPS)已经完全渗透到生活的方方面面：应用于定位、导航、地图和授时，又或者装备在车辆、手机，手表上，更不用说车道级导航、公交优先、采矿、测量等领域了。

24颗主要卫星在2万公里外的轨道上向地球反射电磁波束，地面接收站收到信号并给出其位置和时间。GPS调谐接收器到四颗卫星的信号，三个用来确定GPS接收器的纬度、经度和海拔高度，第四个则提供同步校正时间，然后计算出终端相对于四颗卫星和地球的三维位置。

下表显示了三种低功率射频信号:手机、GPS和DSRC的信号强度列表。

射频信号越弱，信号越容易被随机噪音攻击所干扰，上表清楚地说明了GPS信号的最大弱势所在。

在地球表面接收到的GPS信号功率(1.78*10^- 16w)比用于V2V通信的最弱DSRC射频信号功率(1.00*10^-03 W)弱5万亿倍(5.62*10^+12)。

我认为，对于交通当局、交通工程协会及其应用方来说，利用简单、廉价的干扰攻击来解决GPS通信的脆弱性是极其重要的。我们要正视这个问题。

GPS干扰器的破坏范围

▼ 在大范围的破坏性和用于大范围GPS干扰工作的有限资源之间，存在着强大的不对称性，这对不法人士极具吸引力。与涉及爆炸物、枪支和刀具暴力的硬恐怖袭击不同，大范围GPS干扰虽然是非法的，但对许多人和组织来说是非暴力的。

近程GPS干扰机是商用的，一个典型的型号是0.960瓦的输出功率干扰装置，在15米到40米范围内可以做到完全屏蔽GPS信号。

▼关键问题：拥有少量资源的敌方可以部署一个广域GPS干扰设备，其影响的覆盖范围是多大，以使其在一个较大的连续地理区域中完全禁用所有GPS接收？但关键是使用仅500美元的3千瓦便携式发电机,再加上大约1万美元的玻璃纤维货车,就可以完全关闭一个直径1.5公里圆形区域内的GPS服务。

任何一个称职的电子爱好者、技术人员或工程师都应该能够用几百美元的零件制造干扰电子设备。

▼若别有用心的人，在拥挤的多车道高速公路上使用大范围GPS干扰机，会获得相对不错的效果。尤其是当使用那种更为复杂的超大范围干扰机——一对抛物线形天线可以沿着高速公路行驶轴向正反两个方向集中干扰射频功率。

特别是使用更复杂的、影响更深远的干扰器设置时，用一对抛物线形的天线，沿着高速公路的行进前后方向，来集中所有的干扰射频功率。

使用简单的功率密度公式并没有考虑到由于空气中的湿度（水蒸气）或降雨而造成的辐射功率损耗，但是无可否认的是，大范围GPS干扰攻击具有不对称吸引力。

与玻璃纤维车身的厢式货车不同，金属车身较小的trades厢式车可以将双后窗涂上颜色，以掩盖一对面向后的抛物面天线。

一辆较小的车辆可以携带一个9千瓦时存储容量的电池，在3kW的功率下，干扰机可以工作三个小时。天线可以伪装成车顶行李架，或者藏在安装在车顶行李架上的塑料货物或滑雪箱中。

脆弱性的显现

▼重复的大面积随机干扰GPS接收是一种社会道德败坏的“软”恐怖，而不是物理破坏的硬恐怖。

不法人士对城市发动一系列有新闻价值的、广泛的GPS干扰攻击，确实反映了GPS定位导航的脆弱性。目前有越来越多的人对社会不满，他们将自己的愤怒在社交媒体上展示。这些人只要搞个小阴谋，就可以轻而易举地开发出GPS干扰器，并在随机选择的时间和地点部署它们，从而获得他们满意的媒体效果。

防御干扰

▼精确定位GPS干扰攻击的来源并不容易。防御者需要复杂的设备来进行三角定位。

干扰设备的移动性使跟踪变得复杂，正如干扰进程的简洁性一样。一个漫游的GPS信号接收干扰小组，轮流执行伪随机干扰计划，将增加拦截难度。

▼当局希望通过招募一些志愿者，来逮捕干扰攻击者，志愿者要配备有GPS接收器的智能手机。在大量分散的此类设备上，一款APP应用程序可以向中央计算机报告GPS信号因干扰攻击而丢失的确切时间和位置。中央计算机将计算出干扰影响区的实时地图，通过三角测量辅助定位。

一些高端智能手机有惯性传感器(加速度计和陀螺仪)，用于在没有GPS信号的情况下跟踪运动。然而，惯性传感器具有漂移效应，每隔几分钟就需要GPS信号进行校正。

▼由于可见光不受射频干扰，本文作者提出了一项防堵技术——缓解高速公路交通拥堵，采用将发光信号和光纤通信结合起来，以视觉方式传输给司机。

但不管如何处理这个问题，我们必须承认GPS信号接收存在潜在的危险，并正视这个问题，除非我们希望“GPS坏了”成为新的常态。

如何计算干扰机的有效距离

▼功率密度公式是电子射频工程师用来计算无线电发射机有效信号功率的最简单公式。

假设射频发射器天线位于球体的中心，接收器天线与发射器在球体表面的给定距离（半径）处。假设从球体中心辐射的信号功率均匀地分布在球体的整个表面区域。

半径球表面积的公式R=4 * pi * R ^ 2

射频功率密度公式为：

其中：
                      P S =距离R处的功率密度[Watts / m ^ 2]，
 S = --------------- P =天线处的RF信号功率[Watts]，
            4 * pi * R ^ 2 pi = 3.14，
                                        R =球面的半径，单位为米[m]。

▼我们知道，功率输出为：
P1 = 0.960 [W]的短程GPS干扰器（＃1）就可以干扰GPS信号，使其远离干扰器的天线，例如：R1 = 15 米。

我们假设宽范围干扰器（＃2）使用便携式发电机，其输出功率为三千瓦= 3000 [W]，并且干扰器设备的效率为90％，因此干扰器天线的辐射功率为：
P2 = 0.9 * 3000 [W.] = 2700 [W]

在最大有效范围R2 [m]时，宽范围干扰器的功率密度S2 [W / m ^ 2]必须等于短距离干扰器的功率密度S1 [W / m ^ 2]其15 [m]范围：
                 
                P1 P2     
S1 = ----------------- = S2 = ---------------- [W / m ^ 2]
         4 * pi * R1 ^ 2 4 * pi * R2 ^ 2
                   
▼重新排列方程以求解宽范围干扰源的最大有效范围R2 [m]：

4 * pi * R1 ^ 2 P2     
R2 ^ 2 = ----------------- * ----------------- [m ^ 2]
                     P1 4 * pi

R1 ^ 2 * P2     
R2 ^ 2 = ----------------- [m ^ 2]
                     P1

（R1 ^ 2 * P2）
R2 = SQRT（------------------）[m]
                        （P1）

（15 ^ 2 * 2700）
R2 = SQRT（------------------）[m]
                        （0.960）
         
R2 = SQRT（632,813）[m]
         
R2 = 795 [m ]

▼以大范围干扰器天线为中心的圆的直径D2 [m]，在该圆内的所有GPS信号接收均被干扰：

D2 = 2 * R2 = 2 * 795 = 1590 [m]

原作者：Steve Petrie

审核编辑：黄飞