全球定位系統(tǒng)或 GPS 的脆弱性已廣為人知。由干擾和欺騙引起的射頻干擾會(huì)降低為關(guān)鍵國家基礎(chǔ)設(shè)施提供定位、導(dǎo)航和授時(shí) (PNT) 信息的重要同步系統(tǒng)的性能。

這種射頻干擾大部分來自電子設(shè)備、無線電天線或調(diào)制解調(diào)器，它們的強(qiáng)度足以淹沒全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 接收器的相對(duì)較弱的信號(hào)。該漏洞為不良行為者創(chuàng)造了一個(gè)誘人的目標(biāo)。

“壞人總是想出越來越多的威脅，因此我們必須想出方法來分析和解決它們，”無線專家 U-Blox 定位技術(shù)高級(jí)總監(jiān) Rod Bryant 說。

這些防御范圍從歐洲伽利略系統(tǒng)的導(dǎo)航消息認(rèn)證和信號(hào)加密到使用類似消息認(rèn)證方案的 GPS 反欺騙框架。

在探索這些和其他彈性方法之前，先了解一下 GNSS 面臨的日益嚴(yán)重的威脅以及過去幾年 GPS 干擾影響的快照。

干擾和欺騙

干擾 GPS 信號(hào)只需要生成一個(gè)足以淹沒 GNSS 傳輸?shù)?RF 信號(hào)。通常，小型發(fā)射器在與 GPS 設(shè)備相同的頻帶中發(fā)送無線電信號(hào)。由此產(chǎn)生的干擾會(huì)干擾 GPS 設(shè)備的接收。

GPS 干擾器不區(qū)分，通常會(huì)導(dǎo)致附帶損害。依賴 GPS 的空中交通管制、搜索和救援行動(dòng)、電網(wǎng)和移動(dòng)電話服務(wù)都容易受到 GPS 干擾的影響。

雖然干擾器只是阻止 GNSS 信號(hào)，使準(zhǔn)確定位變得困難或不可能，但 GPS 欺騙涉及故意傳輸類似于 GPS 的信號(hào)，但位置信息不正確。通過復(fù)制 GNSS 信號(hào)，欺騙者可以欺騙接收器，使其認(rèn)為它在時(shí)間或位置上位于其他地方。

欺騙會(huì)造成各種破壞。例如，它可以用來劫持自動(dòng)駕駛車輛并將它們發(fā)送到備用路線。欺騙可以改變車輛監(jiān)視器記錄的路線，或破壞用于保護(hù)操作區(qū)域的地理圍欄。它還對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，包括電力、電信和運(yùn)輸系統(tǒng)。

GNSS 接收器制造商Septentrio的業(yè)務(wù)發(fā)展和營銷總監(jiān) Jan van Hees提供了這樣的類比：“干擾涉及產(chǎn)生如此多的噪音，以至于 [衛(wèi)星信號(hào)] 消失。欺騙就像對(duì)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)釣魚攻擊?！?/p>

GPS干擾上升

美國海岸警衛(wèi)隊(duì)最近追蹤了越來越多涉及 GPS 干擾的引人注目的事件。例如， 2019 年以色列港口的 GPS 接收中斷導(dǎo)致 GPS引導(dǎo)的自主起重機(jī)無法操作，敘利亞內(nèi)戰(zhàn)造成了附帶損害。2016 年，克里米亞半島附近的 20 多艘船只被認(rèn)為是GPS 欺騙攻擊的受害者，該攻擊將船只在電子海圖顯示上的位置轉(zhuǎn)移到著陸。

GNSS 中斷促使美國交通部海事管理局去年發(fā)布了有關(guān) GPS 干擾的警告。它向業(yè)界傳達(dá)的信息強(qiáng)調(diào)了使用替代 PNT 系統(tǒng)的必要性。由于擔(dān)心自滿，該機(jī)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了干擾源，包括多徑傳播、大氣條件和 GNSS 段問題，例如錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)上傳。

自 2018 年以來，挪威上空的 GPS 干擾事件可能來自附近的俄羅斯，歐洲航空機(jī)構(gòu) Eurocontrol 的 GNSS 干擾事件增加了 2,000%。一份報(bào)告還強(qiáng)調(diào) RFI 干擾不成比例：雖然大多數(shù) RFI 熱點(diǎn)位于沖突地區(qū)，它們還影響最遠(yuǎn)距離為 300 公里的民用航空，反映出干擾機(jī)的殺傷力過大。

在另一種情況下，干擾器被用來隱藏被盜豪華汽車和滿載集裝箱的位置。Spirent Communications 的 GNSS 漏洞專家Guy Buesnel 表示， FBI于 2014 年發(fā)布了一份公告。

Buesnel 強(qiáng)調(diào)了政府為提高對(duì) GNSS 漏洞的認(rèn)識(shí)所做的努力。例如，一份報(bào)告估計(jì)，在五天內(nèi)完全失去 GNSS 對(duì)英國的經(jīng)濟(jì)影響為 52 億英鎊。

這些以及美國的平行努力促使人們努力提高 GNSS 系統(tǒng)的彈性?！皽?zhǔn)確性很重要，但保證對(duì)系統(tǒng)的信任也很重要，我們需要可靠性和可用性，”Septentrio 的 van Hees 說?！氨热?，你能在不利條件下接收信號(hào)嗎？”

信任還需要信號(hào)指紋識(shí)別等步驟來區(qū)分欺騙者和衛(wèi)星信號(hào)。例如，來自欺騙者的信號(hào)強(qiáng)度和時(shí)間可能是一個(gè)贈(zèng)品，特別是因?yàn)樾l(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度較低。信號(hào)加密是另一種選擇，包括稱為開放服務(wù)導(dǎo)航消息認(rèn)證 (OSNMA) 的框架。

Spirent的Buesnel強(qiáng)調(diào)，審計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是PNT安全性、彈性和穩(wěn)健性的重要組成部分?！皽y(cè)試以獲得對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界威脅的定量理解，并評(píng)估擬議的緩解方案，是這項(xiàng)工作的重要組成部分，”他說。“通常，意外行為或后果是由于在部署系統(tǒng)之前未進(jìn)行徹底測(cè)試和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估造成的?！?/p>

信號(hào)加密

為歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)的OSNMA反欺騙服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)從伽利略衛(wèi)星到加密全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器的安全傳輸。在最終測(cè)試過程中，OSNMA將很快免費(fèi)提供給用戶。

OSNMA通過對(duì)攜帶衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證來保護(hù)伽利略信號(hào)。它使用了一種混合對(duì)稱/非對(duì)稱加密技術(shù)。衛(wèi)星上的密鑰用于生成數(shù)字簽名。簽名和密鑰都被附加到導(dǎo)航數(shù)據(jù)并傳輸?shù)浇邮掌鳌SNMA設(shè)計(jì)為向后兼容，因此沒有OSNMA的定位仍然有效。

伽利略O(shè)SNMA架構(gòu)：支持OSNMA的GNSS接收器中的加密算法驗(yàn)證伽利略O(shè)SNMA信號(hào)。（來源：Septentrio）

歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)機(jī)構(gòu)表示，伽利略星座正在使用當(dāng)前導(dǎo)航消息的備用位廣播OSNMA測(cè)試信號(hào)，使傳統(tǒng)的開放服務(wù)不受影響。去年11月的初步測(cè)試涉及八顆伽利略衛(wèi)星。測(cè)試將在未來幾個(gè)月繼續(xù)進(jìn)行。

Septentrio表示，其接收器已驗(yàn)證了第一個(gè)OSNMA加密的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。盡管如此，即使通過OSNMA進(jìn)行安全認(rèn)證也存在潛在漏洞。U-Blox的布萊恩特說：“OSNMA在提供密鑰的方式上存在漏洞?！薄！叭绻闶且粋€(gè)聰明的騙子，你可以延遲你的信號(hào)來捕捉鑰匙?！北M管如此，布萊恩特相信OSNMA很可能在歐洲的一些應(yīng)用中成為強(qiáng)制性的。

他還認(rèn)為 GPS 身份驗(yàn)證系統(tǒng)可能會(huì)克服這個(gè)漏洞。建議的用于保護(hù) GPS 信號(hào)的Chimera系統(tǒng)將加密的數(shù)字簽名和水印插入到衛(wèi)星信號(hào)中。信號(hào)鑒權(quán)增強(qiáng)功能對(duì)民用GPS信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和擴(kuò)頻碼進(jìn)行聯(lián)合鑒權(quán)。

Chimera 采用時(shí)間綁定的概念，其中擴(kuò)展碼被標(biāo)記打斷，這些標(biāo)記是使用從數(shù)字簽名導(dǎo)航消息中派生的密鑰以加密方式生成的。導(dǎo)航電文和擴(kuò)頻碼不能獨(dú)立生成。比特承諾確保欺騙者在廣播之前無法生成正確的標(biāo)記。

指定了兩種變體：用于獨(dú)立用戶的“慢速”通道和用于在帶外信息可用時(shí)進(jìn)行更快速身份驗(yàn)證的“快速”通道。在后一種情況下，綁定是通過延遲公開密鑰來完成的。

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用于防欺騙 GPS 的 Chimera 規(guī)范。（來源：Logan Scott Consulting）

NIST，國土安全部關(guān)于此案

今年早些時(shí)候，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 發(fā)布了其針對(duì) PNT 服務(wù)的最終網(wǎng)絡(luò)安全指南。該指南承認(rèn) PNT 和 GPS 服務(wù)面臨的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)以及國家和經(jīng)濟(jì)安全影響。

“在我們開始開發(fā)此配置文件之前，為保護(hù) PNT 服務(wù)所做的許多努力正在進(jìn)行中，但沒有一個(gè)每個(gè)人都可以使用的風(fēng)險(xiǎn)緩解的正式參考，”該指南的合著者 NIST 的 Jim McCarthy 說。

美國。今年早些時(shí)候，國土安全部 (DHS) 科學(xué)技術(shù)局也在權(quán)衡旨在保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施免受 GPS 欺騙的資源。這些免費(fèi)工具包括PNT 完整性庫和Epsilon 算法套件，兩者都旨在提高 PNT 彈性

根據(jù) 1 月份發(fā)布的Space Policy Directive-7 ，軍事、民用和商業(yè)應(yīng)用對(duì) GPS 的日益依賴增加了 PNT 系統(tǒng)的脆弱性。該指令警告說：“GPS 用戶必須為潛在的信號(hào)丟失做好準(zhǔn)備，并采取合理的步驟來驗(yàn)證或驗(yàn)證接收到的 GPS 數(shù)據(jù)和測(cè)距信號(hào)的完整性，特別是在即使是很小的退化也可能導(dǎo)致生命損失的應(yīng)用中?！?/p>

PNT 完整性庫和 Epsilon 算法套件都通過為用戶提供驗(yàn)證接收到的 GPS 數(shù)據(jù)完整性的方法來解決此問題。Brannan Villee 說，新工具將有助于“提高對(duì)潛在 GPS 信號(hào)丟失的恢復(fù)能力”。DHS 的 PNT 項(xiàng)目經(jīng)理。

“由于 GPS 信號(hào)可能被干擾或欺騙，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不應(yīng)假設(shè) GPS 數(shù)據(jù)將始終可用或始終準(zhǔn)確，”網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全局戰(zhàn)略防御計(jì)劃負(fù)責(zé)人 Jim Platt 補(bǔ)充道。國家風(fēng)險(xiǎn)管理中心。

“這些工具的應(yīng)用將提高針對(duì) GPS 中斷的安全性。但是，國土安全部還建議采用整體防御策略，通過在受支持系統(tǒng)中的使用來考慮從接收到 PNT 數(shù)據(jù)的完整性，”普拉特說。

GNSS 信號(hào)越來越脆弱，而彈性工作繼續(xù)解決干擾和欺騙威脅。OSNMA 架構(gòu)在測(cè)試方面非常先進(jìn)，并且接近在歐洲得到更廣泛的采用。GPS 的 Chimera 規(guī)范仍處于早期測(cè)試階段。

專家們一致認(rèn)為，最終，GNSS 信號(hào)安全必須從整體上看待，并考慮到許多因素，包括信號(hào)多樣性、指紋識(shí)別和加密。只有這樣才能信任 PNT 系統(tǒng)的輸出。

審核編輯 黃昊宇