現(xiàn)代世界越來越依賴GNSS衛(wèi)星星座提供的精密導航與定時（PNT）服務。GNSS的全球覆蓋及其準確性推動了其應用范圍的擴大，隨著技術進步和強大且低成本接收器的普及，GNSS已成為關鍵定位和時機領域的主導力量。

對GNSS日益依賴的同時，人們對其脆弱性及其全球服務和基礎設施風險的認識也隨之提高。尤其是欺騙和干擾攻擊正在增加，GNSS系統(tǒng)的開發(fā)者越來越專注于應對這兩大威脅。本文先討論常見的干擾技術，然后介紹反干擾解決方案以及射頻天線在防御干擾攻擊中的關鍵作用。

GNSS的經(jīng)濟效益

GNSS服務對全球經(jīng)濟貢獻顯著，2019年的一項研究估計，自20世紀80年代GPS首次提供以來，美國私營部門已累計獲得1.4萬億美元的經(jīng)濟利益。英國政府于2023年委托的一項較新研究顯示，GNSS帶來的經(jīng)濟收益為每年136.22億英鎊（見圖1）， 其中應急服務和道路部門占了大多數(shù)。

這些日益增長的益處伴隨著失去關鍵基礎設施風險的相應增加。當GNSS信號到達地表時，其功率遠低于環(huán)境噪聲水平，接收器很容易被其頻段內(nèi)或鄰近的更強信號淹沒。雖然這種干擾可能是無意的，由頻譜過度擁擠或基于站點的干擾等因素引起，但惡意代理人故意干擾GNSS服務的行為正在增加。這種中斷可能帶來嚴重影響，對于自動駕駛等應用，甚至可能危及生命。對于依賴GNSS精確導航的農(nóng)業(yè)和建筑行業(yè)來說，定位錯誤可能帶來重大經(jīng)濟后果，影響作物產(chǎn)量、項目進度和整體盈利能力。同樣，時序信號的喪失也可能嚴重影響通信網(wǎng)絡和能源基礎設施，導致財務損失和關鍵任務服務的中斷。上述英國研究估計，GNSS七天中斷對英國的經(jīng)濟影響為76.44億英鎊，而單日中斷對美國經(jīng)濟的損失估計約為10億美元。

欺騙和干擾攻擊

對GNSS的依賴日益增長，伴隨著通過欺騙或干擾攻擊等蓄意干擾的威脅增加。偽裝是一種智能干擾手段，通過發(fā)送虛假的GNSS信號，試圖讓GNSS接收器誤以為自己身處不同位置。偽造攻擊被認為是更危險的惡意攻擊形式，因為它們通常可能未被發(fā)現(xiàn)，但相對更難生成。

而干擾攻擊則可以通過廉價且易得的設備發(fā)起。自2016年以來，GPS干擾持續(xù)增加，2024年東地中海、黑海、波羅的海地區(qū)、波蘭和斯堪的納維亞部分地區(qū)成為全球最嚴重的擾地區(qū)（見圖2）。

干擾技術

干擾是指發(fā)射超過GNSS接收器閾值的射頻信號，實際上提高了噪聲底，使接收器無法區(qū)分衛(wèi)星信號和干擾信號。靈敏度較差的接收機更容易被強烈的干擾信號淹沒。干擾器可以發(fā)射各種類型的射頻信號。

帶外干擾是指干擾信號從目標波段外發(fā)射，強干擾信號溢出到GNSS頻段，導致干擾并干擾接收機，或僅僅導致接收機過載。帶內(nèi)干擾時，干擾信號在衛(wèi)星頻段（L1、L2、L5）內(nèi)傳輸，強度足以壓過較弱的GNSS信號。帶內(nèi)干擾無法被濾除，但通過適當?shù)臑V波，帶外干擾可能被克服。

連續(xù)波長（CW）干擾是最直接的干擾方法，將干擾信號的全部功率集中到單一頻率，阻斷同一波長上的其他信號。由于現(xiàn)代接收機可以通過陷波濾波器克服CW攻擊，攻擊者還可以采用掃頻調(diào)制技術，即連續(xù)以交替頻率傳輸多個CW信號，從而提高信號的有效性。干擾器還可以使用彈幕技術，依次發(fā)射一波窄帶信號，在目標GNSS頻段的全部或部分寬度范圍內(nèi)制造噪聲。

方向性精確有助于提升干擾攻擊，市面上有類似槍械的干擾裝置，采用定向天線，設計用于精確瞄準特定目標。雖然在包括美國和英國在內(nèi)的大多數(shù)國家作干擾設備是非法的，但個人獲得干擾設備并不困難，網(wǎng)上搜索會發(fā)現(xiàn)各種各樣的設備可供選擇。小型干擾器可發(fā)射1瓦功率，大小約為香煙包，而較大的錄像機大小設備可傳輸至100瓦。作為背景說明，烏克蘭軍事沖突中使用的干擾器通常大小如卡車，發(fā)射功率約為1千瓦。

故意干擾，曾經(jīng)是專門的軍事活動，現(xiàn)在任何能購買或制造信號干擾器的人都可以使用。

GNSS防干擾策略與技術

GNSS接收器的設計者在應對干擾時可采用多種策略，包括：

• 零陷系統(tǒng)：在干擾信號方向形成 “零陷” 區(qū)域；若存在多個干擾信號，可在每個干擾源方向分別生成零陷。

• 波束成形：將射頻波束定向指向已知 GNSS 衛(wèi)星，降低干擾概率 —— 因為干擾信號需與衛(wèi)星信號來自完全相同的方向才能生效。

• 信號切除：剔除超出設定閾值的窄帶信號，剩余信號經(jīng)轉換后用于上述 “零陷” 處理。

作為接收機處理衛(wèi)星信號的第一個組件，GNSS天線在防干擾中起著關鍵作用，因此天線的正確選擇和安裝至關重要。例如，如果天線飽和，第一道防線就會失效，接收機將無法校正GNSS信號。

主動天線包括嵌入濾波器，如表面聲波（SAW）或陶瓷，能夠有效防止帶外干擾，最大化GNSS波段內(nèi)的增益，同時衰減其外信號。

傳統(tǒng)GPS天線通常是全向的，而防干擾天線則聚焦于已知GNSS衛(wèi)星的特定方向，從而降低了對發(fā)射干擾信號的接收。受控接收模式天線（CRPA）將多個天線元件組合在一起，這些元件間距已知，形成自適應天線陣列。結合信號處理技術，該陣列可以確定干擾信號的到達方向，從而調(diào)整天線的輻射模式，從而產(chǎn)生指向干擾信號方向的低增益或“零點”（見圖3）。CRPA在減輕各種干擾方面非常有效，包括帶內(nèi)干擾，盡管CRPA系統(tǒng)需要足夠的天線元件來抵消每種干擾信號。

支持多頻段和多星座的天線系統(tǒng)提供了一定程度的多樣性，這在主信號擾時可以提供替代方案。先進的多頻段GNSS接收器可與CRPA結合，通過獨立消除不同GNSS頻段來抵御多重干擾攻擊。

設計CPRA和多頻段天線系統(tǒng)需要專業(yè)知識和測試工具，這會為GNSS接收機的開發(fā)周期增加大量時間、復雜性和成本。專注于天線設計的公司，如Taoglas，通過提供現(xiàn)成設備，并配合深入的支持和定制服務，可以顯著加快上市時間。

反干擾技術的潛在未來發(fā)展

對GNSS信號的威脅日益復雜，需要持續(xù)關注先進反干擾解決方案的開發(fā)和實施。軍方和政府部門在反干擾技術的研發(fā)中承擔了大量工作，相關舉措包括：

• 先進的信號處理算法旨在提升抗干擾性能。

• 開發(fā)緊湊型集成的反干擾解決方案，將多元件天線陣列和信號處理集成于一體。

• 抗干擾衛(wèi)星通信（SATCOM）系統(tǒng)的發(fā)展。

• 衛(wèi)星的改進，提供更多功率以增強對干擾的抵抗力。

隨著GNSS技術不斷發(fā)展并日益與關鍵任務系統(tǒng)集成，開發(fā)強有力的反干擾解決方案將繼續(xù)是確保其長期完整性的優(yōu)先事項。