現代世界越來越依賴GNSS衛星星座提供的精確導航和授時（PNT）服務。GNSS的全球覆蓋范圍及其準確性正在通過不斷擴大的應用范圍推動其采用，并且隨著技術進步的增加，功能強大、低成本接收器的可用性，GNSS在需要精確定位和授時的地方占據主導地位。

隨著對全球導航衛星系統日益依賴，人們越來越意識到其脆弱性以及隨之而來的全球服務和基礎設施風險。欺騙和干擾攻擊尤其在增加，GNSS 系統的開發人員越來越專注于應對這雙重威脅。本文在描述抗干擾解決方案以及射頻天線在防御干擾攻擊方面發揮的關鍵作用之前討論了常見的干擾技術。

GNSS 的經濟效益

GNSS 服務對全球經濟做出了重大貢獻，2019 年的一項數據估計，自 1980 年代首次向美國私營部門提供 GPS 以來，美國私營部門已積累了 1.4 萬億美元的經濟效益。英國政府于 2023 年委托進行的一項最新研究顯示，該國每年從 GNSS 獲得的經濟效益為 136.22 億英鎊（圖 1）， 其中大部分來自緊急服務和道路部門。

圖 1：按行業劃分的經濟效益份額（英國）。

這些不斷增長的好處伴隨著與失去這一關鍵基礎設施相關的風險的相應增加。當 GNSS 信號到達地球表面時，它們的功率明顯低于環境噪聲水平，接收器很容易被其頻段內或鄰近的更強大的傳輸所淹沒。雖然這種干擾可能是無意的，是由頻譜過度擁擠或基于站點的干擾等因素引起的，但惡意代理故意破壞 GNSS 服務的企圖正在增加。這種中斷可能會造成嚴重的后果，對于自動駕駛等應用來說，可能會危及生命。對于依賴 GNSS 進行精確引導的農業和建筑等行業來說，定位錯誤可能會產生重大的經濟后果，影響作物產量、項目時間表和整體盈利能力。同樣，定時信號的丟失會嚴重影響通信網絡和能源基礎設施，導致財務損失和關鍵任務服務中斷。上述英國研究顯示，GNSS 損失 7 天對英國的財務影響為 76.44 億英鎊，而單日中斷對美國經濟造成的損失估計約為 10 億美元。[3]

欺騙和干擾攻擊

對 GNSS 的依賴日益增加，伴隨著通過欺騙或干擾攻擊故意破壞的威脅增加。欺騙是一種智能干擾形式，傳輸虛假的 GNSS 信號，試圖讓 GNSS 接收器相信它們位于不同的位置。欺騙攻擊被認為是更危險的惡意攻擊形式，因為它們通常不會被發現，但相對更難生成。

另一方面，干擾攻擊可以使用廉價、現成的設備發起。自 2016 年以來，GPS 干擾一直在增加，2024 年，東地中海、黑海、波羅的海地區、波蘭和斯堪的納維亞半島部分地區是全球干擾最嚴重的地區（圖 2）。

圖 2：全球干擾熱點。資料來源：https://gpsjam.org/?lat=44.17986&lon=44.89385&z=2.8&date=2024-03-13。圖片由GPSJAM提供，https://gpsjam.org[4]。

干擾技術

干擾涉及傳輸超過GNSS接收機閾值的射頻信號，有效地提高了本底噪聲，使接收機無法區分衛星信號和干擾信號。靈敏度差的接收器更容易被強干擾信號淹沒。干擾器可以發射各種類型的射頻信號。

當干擾信號在目標頻段之外傳輸時，就會發生帶外干擾，強干擾信號溢出到 GNSS 頻段，造成干擾并破壞接收器，或者只是過度驅動接收器。通過帶內干擾，干擾信號在衛星頻段（L1、L2、L5）內傳輸，并且足夠強，可以壓倒較弱的GNSS信號。帶內干擾是不可能濾除的，但帶外干擾可以通過充分的濾波來克服。

連續波長 （CW） 干擾是最直接的干擾方法，其中干擾信號的全部功率集中到一個頻率中，阻止在同一波長上傳輸的任何其他信號。由于現代接收器可以使用陷波濾波器克服連續波攻擊，因此攻擊者還可以使用掃描調制技術，即以交替頻率按順序傳輸多個連續頻率，從而提高傳輸信號的有效性。干擾器還可以使用彈幕技術，一個接一個地傳輸一系列窄帶信號，在目標GNSS頻段的整個或部分寬度上產生噪聲。

定向精度有助于改善干擾攻擊，市場上可以找到類似于槍支的干擾裝置，使用定向天線，旨在精確瞄準特定目標。盡管在包括美國和英國在內的大多數國家/地區作干擾設備是違法的，但個人獲得干擾設備并不難，并且互聯網搜索會發現可以在線購買的各種設備。能夠以 1 瓦傳輸的小型干擾器大約與香煙包大小，而較大的 VCR 大小的設備可以以高達 100 瓦的功率傳輸。考慮到這一點，烏克蘭軍事沖突中使用的干擾器通常與卡車大小差不多，發射功率約為 1 kW。

故意干擾曾經是一項專業的軍事活動，現在任何可以購買或制造信號干擾器的人都可以使用。

GNSS抗干擾策略與技術

GNSS接收機的設計人員在對抗干擾時可以使用多種策略，包括：

• 零點系統，在干擾信號方向上產生“零點”。如果存在多個干擾信號，則可以在每個干擾器的方向上生成多個零點。

• 波束成形，即“波束”或射頻方向圖指向已知的 GNSS 衛星，從而減少干擾的機會，因為任何干擾信號都需要來自已知衛星的確切方向。

• 切除，消除任何超過規定閾值的窄帶信號。任何超過這些閾值的信號都會被消除，剩下的信號被轉換以進行“歸零”——如上所述。

GNSS天線作為接收機處理衛星信號的第一個部件，在抗干擾方面起著關鍵作用，因此正確選擇和安裝天線至關重要。例如，如果天線飽和，第一道防線就會失效，接收器將無法校正 GNSS 信號。

有源天線包括表面聲波 （SAW） 或陶瓷等嵌入式濾波，可有效對抗帶外干擾，最大限度地提高 GNSS 頻段內的增益，同時衰減頻段外的信號。

傳統的 GPS 天線通常是全向的，而抗干擾天線則專注于已知 GNSS 衛星的特定方向，從而減少對發射干擾信號的接收。受控接收方向圖天線 （CRPA） 將多個天線元件組合在一個自適應天線陣列中，間隔已知距離。當與信號處理技術相結合時，該陣列可以確定干擾信號的到達方向，從而適應天線的輻射方向圖，從而產生指向干擾信號方向的較低增益或“零點”（圖 3）。CRPA 在減輕所有類型的干擾（包括帶內干擾）方面非常有效，盡管 CRPA 系統需要足夠的天線元件來對抗每個干擾信號。

圖 3：典型輻射方向圖和零輻射方向圖。

支持多個GNSS頻段和多個星座的天線系統提供了一定程度的分集，當主要GNSS信號受到干擾時，可以提供替代方案。復雜的多頻段GNSS接收機可以與CRPA結合使用，通過獨立地將不同的GNSS頻段歸零來抵消多次干擾攻擊。

設計 CPRA 和多頻段天線系統需要專業知識和測試工具，并且會給 GNSS 接收機的開發周期增加大量時間、復雜性和成本。陶格斯等專門從事天線設計的公司可以通過提供現成的設備以及深入的支持和定制服務來顯著加快上市時間。

抗干擾技術的潛在未來發展

GNSS 信號面臨的威脅變得越來越復雜，需要持續關注先進抗干擾解決方案的開發和實施。軍事和政府部門是抗干擾技術大部分研發的幕后推手，其舉措包括：

• 旨在提高抗干擾性能的高級信號處理算法。

• 開發緊湊的集成抗干擾解決方案，將多元件天線陣列和信號處理集成在一個單元中。

• 抗干擾衛星通信（SATCOM）系統的開發。

• 衛星的改進，提供更多功率以增加抗干擾能力。

隨著 GNSS 技術的不斷發展并與關鍵任務系統越來越集成，開發強大的抗干擾解決方案仍將是確保其長期完整性的優先事項。