自2000年全面向民用開放以來，全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)完全滲透到生活的方方面面：應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、地圖和授時(shí)，又或者裝備在車輛、手機(jī)，手表上，更不用說車道級(jí)導(dǎo)航、公交優(yōu)先、采礦、測(cè)量等領(lǐng)域了。

24顆主要衛(wèi)星在2萬公里外的軌道上向地球反射電磁波束，地面接收站收到信號(hào)并給出其位置和時(shí)間。GPS調(diào)諧接收器到四顆衛(wèi)星的信號(hào)，三個(gè)用來確定GPS接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)則提供同步校正時(shí)間，然后計(jì)算出終端相對(duì)于四顆衛(wèi)星和地球的三維位置。

下表顯示了三種低功率射頻信號(hào):手機(jī)、GPS和DSRC的信號(hào)強(qiáng)度列表。

射頻信號(hào)越弱，信號(hào)越容易被隨機(jī)噪音攻擊所干擾，上表清楚地說明了GPS信號(hào)的最大弱勢(shì)所在。

在地球表面接收到的GPS信號(hào)功率(1.78*10^- 16w)比用于V2V通信的最弱DSRC射頻信號(hào)功率(1.00*10^-03 W)弱5萬億倍(5.62*10^+12)。

我認(rèn)為，對(duì)于交通當(dāng)局、交通工程協(xié)會(huì)及其應(yīng)用方來說，利用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的干擾攻擊來解決GPS通信的脆弱性是極其重要的。我們要正視這個(gè)問題。

GPS干擾器的破壞范圍

▼在大范圍的破壞性和用于大范圍GPS干擾工作的有限資源之間，存在著強(qiáng)大的不對(duì)稱性，這對(duì)不法人士極具吸引力。與涉及爆炸物、槍支和刀具暴力的硬恐怖襲擊不同，大范圍GPS干擾雖然是非法的，但對(duì)許多人和組織來說是非暴力的。

近程GPS干擾機(jī)是商用的，一個(gè)典型的型號(hào)是0.960瓦的輸出功率干擾裝置，在15米到40米范圍內(nèi)可以做到完全屏蔽GPS信號(hào)。

▼關(guān)鍵問題：擁有少量資源的敵方可以部署一個(gè)廣域GPS干擾設(shè)備，其影響的覆蓋范圍是多大，以使其在一個(gè)較大的連續(xù)地理區(qū)域中完全禁用所有GPS接收？但關(guān)鍵是使用僅500美元的3千瓦便攜式發(fā)電機(jī),再加上大約1萬美元的玻璃纖維貨車,就可以完全關(guān)閉一個(gè)直徑1.5公里圓形區(qū)域內(nèi)的GPS服務(wù)。

任何一個(gè)稱職的電子愛好者、技術(shù)人員或工程師都應(yīng)該能夠用幾百美元的零件制造干擾電子設(shè)備。

▼若別有用心的人，在擁擠的多車道高速公路上使用大范圍GPS干擾機(jī)，會(huì)獲得相對(duì)不錯(cuò)的效果。尤其是當(dāng)使用那種更為復(fù)雜的超大范圍干擾機(jī)——一對(duì)拋物線形天線可以沿著高速公路行駛軸向正反兩個(gè)方向集中干擾射頻功率。

特別是使用更復(fù)雜的、影響更深遠(yuǎn)的干擾器設(shè)置時(shí)，用一對(duì)拋物線形的天線，沿著高速公路的行進(jìn)前后方向，來集中所有的干擾射頻功率。

使用簡(jiǎn)單的功率密度公式并沒有考慮到由于空氣中的濕度（水蒸氣）或降雨而造成的輻射功率損耗，但是無可否認(rèn)的是，大范圍GPS干擾攻擊具有不對(duì)稱吸引力。

與玻璃纖維車身的廂式貨車不同，金屬車身較小的trades廂式車可以將雙后窗涂上顏色，以掩蓋一對(duì)面向后的拋物面天線。

一輛較小的車輛可以攜帶一個(gè)9千瓦時(shí)存儲(chǔ)容量的電池，在3kW的功率下，干擾機(jī)可以工作三個(gè)小時(shí)。天線可以偽裝成車頂行李架，或者藏在安裝在車頂行李架上的塑料貨物或滑雪箱中。

脆弱性的顯現(xiàn)

▼重復(fù)的大面積隨機(jī)干擾GPS接收是一種社會(huì)道德敗壞的“軟”恐怖，而不是物理破壞的硬恐怖。

不法人士對(duì)城市發(fā)動(dòng)一系列有新聞價(jià)值的、廣泛的GPS干擾攻擊，確實(shí)反映了GPS定位導(dǎo)航的脆弱性。目前有越來越多的人對(duì)社會(huì)不滿，他們將自己的憤怒在社交媒體上展示。這些人只要搞個(gè)小陰謀，就可以輕而易舉地開發(fā)出GPS干擾器，并在隨機(jī)選擇的時(shí)間和地點(diǎn)部署它們，從而獲得他們滿意的媒體效果。

防御干擾

▼精確定位GPS干擾攻擊的來源并不容易。防御者需要復(fù)雜的設(shè)備來進(jìn)行三角定位。

干擾設(shè)備的移動(dòng)性使跟蹤變得復(fù)雜，正如干擾進(jìn)程的簡(jiǎn)潔性一樣。一個(gè)漫游的GPS信號(hào)接收干擾小組，輪流執(zhí)行偽隨機(jī)干擾計(jì)劃，將增加攔截難度。

▼當(dāng)局希望通過招募一些志愿者，來逮捕干擾攻擊者，志愿者要配備有GPS接收器的智能手機(jī)。在大量分散的此類設(shè)備上，一款A(yù)PP應(yīng)用程序可以向中央計(jì)算機(jī)報(bào)告GPS信號(hào)因干擾攻擊而丟失的確切時(shí)間和位置。中央計(jì)算機(jī)將計(jì)算出干擾影響區(qū)的實(shí)時(shí)地圖，通過三角測(cè)量輔助定位。

一些高端智能手機(jī)有慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀)，用于在沒有GPS信號(hào)的情況下跟蹤運(yùn)動(dòng)。然而，慣性傳感器具有漂移效應(yīng)，每隔幾分鐘就需要GPS信號(hào)進(jìn)行校正。

▼由于可見光不受射頻干擾，本文作者提出了一項(xiàng)防堵技術(shù)——緩解高速公路交通擁堵，采用將發(fā)光信號(hào)和光纖通信結(jié)合起來，以視覺方式傳輸給司機(jī)。

但不管如何處理這個(gè)問題，我們必須承認(rèn)GPS信號(hào)接收存在潛在的危險(xiǎn)，并正視這個(gè)問題，除非我們希望“GPS壞了”成為新的常態(tài)。

如何計(jì)算干擾機(jī)的有效距離

▼功率密度公式是電子射頻工程師用來計(jì)算無線電發(fā)射機(jī)有效信號(hào)功率的最簡(jiǎn)單公式。

假設(shè)射頻發(fā)射器天線位于球體的中心，接收器天線與發(fā)射器在球體表面的給定距離（半徑）處。假設(shè)從球體中心輻射的信號(hào)功率均勻地分布在球體的整個(gè)表面區(qū)域。

半徑球表面積的公式R=4 * pi * R ^ 2

射頻功率密度公式為：

其中：
P S =距離R處的功率密度[Watts / m ^ 2]，
S = --------------- P =天線處的RF信號(hào)功率[Watts]，
4 * pi * R ^ 2 pi = 3.14，
R =球面的半徑，單位為米[m]。

▼我們知道，功率輸出為：
P1 = 0.960 [W]的短程GPS干擾器（＃1）就可以干擾GPS信號(hào)，使其遠(yuǎn)離干擾器的天線，例如：R1 = 15 米。

我們假設(shè)寬范圍干擾器（＃2）使用便攜式發(fā)電機(jī)，其輸出功率為三千瓦= 3000 [W]，并且干擾器設(shè)備的效率為90％，因此干擾器天線的輻射功率為：
P2 = 0.9 * 3000 [W.] = 2700 [W]

在最大有效范圍R2 [m]時(shí)，寬范圍干擾器的功率密度S2 [W / m ^ 2]必須等于短距離干擾器的功率密度S1 [W / m ^ 2]其15 [m]范圍：

P1 P2
S1 = ----------------- = S2 = ---------------- [W / m ^ 2]
4 * pi * R1 ^ 2 4 * pi * R2 ^ 2

▼重新排列方程以求解寬范圍干擾源的最大有效范圍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 ]

▼以大范圍干擾器天線為中心的圓的直徑D2 [m]，在該圓內(nèi)的所有GPS信號(hào)接收均被干擾：

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

原作者：Steve Petrie

審核編輯：黃飛