轩辕实验室┃GNSS欺骗原理与感知方法
以下文章来源于轩辕实验室 ，作者轩辕实验室
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背景介绍
随着自动驾驶（ADAS）与智能网联汽车的发展，围绕其功能与信息安全的要求也逐步提升。由于目前ADAS方案对高精定位的需求，GNSS的可靠性与安全性也成为了业内重点关注的对象。GNSS欺骗是一项被研究多年的黑客技术，如今又被抬上了舞台。本文将着重介绍使用HackRF实施GPS欺骗的技术路线，并根据其特点，设计了应对的感知方案。
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GNSS原理
GPS接收器和卫星的拓扑关系
GPS接收器接收到的时序
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GNSS欺骗原理
GNSS欺骗分为压制式干扰与欺骗式干扰。常见的压制干扰有阻塞干扰、瞄准干扰、相关干扰等，工程实现简单，危害较小，本文不作重点。危害较大的欺骗式干扰，目的是使目标错误定位，通常有转发式干扰和产生式干扰两种。转发式干扰是攻击者接受了真实的信号，进行存储延时的转发，可以通过时间校验进行简单的防护。产生式干扰可以产生基于欺骗位置（任意位置）的符合GPS标准的虚假卫星信号，是较为高明且危险的欺骗手段。我们通过Hackrf工具对多款车辆进行了产生式GPS欺骗，实验过程和结果可参考《IDPS GNSS Spoofing》
GPS信号发生器电路图
第二步，即为根据攻击机欺骗的目标位置P(X, Y, Z)，以及星历数据，计算出当前位置的可见卫星，根据目标位置与卫星的相对距离求解相对延时Di，并根据Di产生相应时序的信号。
第三步，在地球固连坐标系（ECEF），通过星座位置、运行速度和接收机位置，修正传输延时和载波频移（多普勒频移）。工程上，还可以引入动态位移来诱骗行驶的汽车，以及修改星历数据以产生实时的虚假干扰信号。
虚假干扰信号的实时产生
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GNSS欺骗感知
根据不同的GNSS欺骗方法，感知的方法也应当是多样的。本文列举几项校验GNSS的方法。
功率：欺骗信号由于产生于地面，往往强度极高，且模拟的各卫星信号强度相同。可以根据信号的强度来判断是否是欺骗信号。
迭代时间：真实GNSS信号在传播过程中会有种种干扰，并非理想的真空状态，存在的误差导致四元方程无法直接求解，需要用最小二乘法迭代才能得到最终位置。虚假信号的伪距是反求解得到的，不存在误差问题，迭代速度较快。或者当真实信号掺杂虚假信号一同输入迭代模块，会导致迭代时间过长导致计算失败。综上，可以从得到单个GNSS坐标的迭代时间来判断是否是欺骗信号。
多通道校验：通常欺骗者只发送一种系统的虚假信号，可以通过两种及以上的GNSS系统进行位置校验来判断是否存在欺骗信号。
多普勒频移：多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。欺骗信号往往无法模拟真实的多普勒频移，也可通过此进行校验。（但本文涉及的实验，Hackrf可以为欺骗信号添加多普勒频移。）
瞬移：最传统的做法是在导航系统中设定阈值，汽车不可能在短时间内移动到很远的范围。可以监控汽车的位置变化来判断是否存在欺骗信号。
IMU校验：汽车在运动中，IMU可以提供较为准确的轨迹。通过比对GNSS与IMU在同一坐标系中产生的轨迹来判断是否存在欺骗信号。
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