為什么安全的 GPS 接收器對(duì)于 GNSS/INS 系統(tǒng)至關(guān)重要？
彈性 GPS/GNSS 接收器可保護(hù) INS 系統(tǒng)免受干擾和欺騙
隨著從農(nóng)業(yè)、送貨無人機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車等許多行業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人化的發(fā)展，對(duì)準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的導(dǎo)航的需求不斷增長。選擇 GPS/GNSS* 定位接收器時(shí)，了解這些傳感器的漏洞及其對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響至關(guān)重要。對(duì)于機(jī)器人和自主設(shè)備來說，可用性是確保持續(xù)可靠服務(wù)的關(guān)鍵。靠近人類操作的機(jī)器人和無人機(jī)還需要考慮安全性。需要立即檢測并標(biāo)記 GNSS 干擾或欺騙，以便其他傳感器可以接管。
大多數(shù)自主導(dǎo)航技術(shù)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)，它由 GNSS 接收器和 IMU 傳感器組成。GNSS 接收器提供全球地理坐標(biāo)方面的絕對(duì)定位，而 IMU（慣性測量單元）則測量航向角、俯仰角和橫滾角，從而提供移動(dòng)系統(tǒng)的方向信息。
欺騙是對(duì)基于 GNSS 的 INS 系統(tǒng)的真正威脅，通過將安全機(jī)制納入所有系統(tǒng)子組件可以最有效地緩解這種威脅。然而，由于欺騙發(fā)生在 GNSS 信號(hào)級(jí)別，因此可以在接收器內(nèi)采用多種復(fù)雜的方法來檢測和減輕欺騙。接收器的設(shè)計(jì)考慮到了安全性和穩(wěn)健性，能夠抵御干擾和欺騙等 GNSS 漏洞。利用這種強(qiáng)大的 GNSS 技術(shù)也具有成本效益，使公司能夠?qū)㈤_發(fā)重點(diǎn)放在傳感器融合和導(dǎo)航上。
干擾和欺騙是真實(shí)存在的
干擾是一種無線電干擾，它會(huì)壓倒微弱的 GNSS 信號(hào)，導(dǎo)致精度下降，甚至可能丟失定位。無意干擾源包括業(yè)余無線電愛好者、海事和航空無線電定位系統(tǒng)以及靠近 GNSS 接收器的電子設(shè)備。還有一種被稱為“干擾器”的故意干擾裝置，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在試圖避開道路收費(fèi)的車輛上。
欺騙是一種智能干擾形式，它使接收器相信自己處于錯(cuò)誤位置。欺騙行為曾出現(xiàn)在新聞中的一項(xiàng)引人注目的實(shí)驗(yàn)中，其中一輛特斯拉汽車被“誤導(dǎo)”從高速公路出口駛出，而不是按照預(yù)期沿著高速公路行駛[1]。因此，干擾和欺騙都會(huì)對(duì)利用 GNSS 定位的 INS 系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。有關(guān)欺騙的更多信息，請參閱OSNMA：最新的 GNSS 反欺騙安全。
INS 如何會(huì)被堵塞和欺騙？
雖然 GNSS 提供絕對(duì)定位，但 IMU 測量相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這會(huì)受到稱為漂移的累積誤差的影響，需要定期“重新校準(zhǔn)”。在 GNSS/INS 系統(tǒng)中，兩個(gè)傳感器以這樣的方式融合：GNSS 提供常規(guī) IMU“校準(zhǔn)”，IMU 提供 GNSS 的角度和外推或“平滑”。
干擾會(huì)導(dǎo)致定位丟失，這意味著 GNSS 接收器無法再用作 INS 解決方案的一部分。這可能會(huì)導(dǎo)致 INS 初始化時(shí)間更長或切換到航位推算模式（僅限 IMU 解決方案），此時(shí)位置將開始漂移。干擾還可能導(dǎo)致測量異常值，從而影響 GNSS/INS 算法（即深度或緊密耦合）。然而，欺騙給 GNSS/INS 系統(tǒng)帶來了最高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在欺騙攻擊期間，如果欺騙者使用較小的定位增量，則 INS 解決方案可能會(huì)被“劫持”，而常見的反欺騙方法可能無法檢測到這種情況。
常用INS反欺騙方法的漏洞
使用 GNSS 以外的傳感器（例如 IMU 或里程計(jì)）可以通過檢測 GNSS 與其他傳感器之間的不一致來幫助標(biāo)記欺騙行為。雖然此類傳感器有助于降低欺騙風(fēng)險(xiǎn)，但它們不足以提供全面的保護(hù)，因?yàn)樗鼈儍H輸出容易漂移的相對(duì)定位。例如，當(dāng) GNSS 衛(wèi)星的可見性長時(shí)間喪失時(shí)，GNSS/INS 系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)一米或更多的漂移。欺騙者可以利用這種漂移現(xiàn)象逐漸劫持定位，增量與預(yù)期漂移相當(dāng)。
下圖演示了 GNSS/INS 系統(tǒng)用于檢測欺騙的常見機(jī)制。系統(tǒng)初始化并開始接收新的 GNSS、IMU 和/或里程計(jì)數(shù)據(jù)，并不斷檢查其一致性。
圖 1 GNSS/INS 系統(tǒng)通常會(huì)檢查定位是否存在異常值以檢測欺騙行為。然而，如果欺騙者使用較小的定位增量（在允許漂移的閾值內(nèi)），則該機(jī)制不會(huì)檢測到它。
如果欺騙攻擊將定位增量保持在允許的閾值（設(shè)置為允許漂移）內(nèi)，則這種機(jī)制將無法檢測到。這就是為什么，為了獲得最佳的系統(tǒng)保護(hù)和反欺騙彈性，應(yīng)該在 GNSS 和 INS 級(jí)別的多個(gè)系統(tǒng)組件中內(nèi)置。
在 GNSS 內(nèi)可以最好地檢測到欺騙行為
下面的道路測試顯示了這種常見 INS 欺騙檢查的漏洞，其中欺騙攻擊是逐漸執(zhí)行的，以垂直于運(yùn)動(dòng)方向的小增量進(jìn)行。這些欺騙增量的幅度足夠小，低于 IMU 的漂移閾值，這使得紅線所示的 INS 系統(tǒng)可以接受。
圖 2 紅線是具有常見欺騙檢查的 GNSS/INS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)被使用小定位增量的欺騙者“劫持”。橙色線是 GNSS/INS 系統(tǒng)，由于 GNSS 接收器檢測到欺騙而保持正常運(yùn)行
橙色線所示的系統(tǒng)在 GNSS 接收器中內(nèi)置了反欺騙功能，可以拒絕欺騙信號(hào)并切換到航位推算，從而使其保持在正確的軌道上。如果欺騙攻擊僅限于少數(shù)信號(hào)，那么 GNSS 接收器甚至可以通過從其定位解決方案中丟棄這些欺騙信號(hào)來避免攻擊。
安全 GNSS 接收器保護(hù) INS 系統(tǒng)
如上面的道路測試所示，如果 GNSS 接收器可以指示欺騙，或者如果它可以自行減輕欺騙，則 INS 系統(tǒng)將更具彈性。因此，在集成 GNSS/INS 解決方案時(shí)，了解 GNSS 中保護(hù)機(jī)制的作用并選擇具有強(qiáng)大內(nèi)部反欺騙防御系統(tǒng)或警告系統(tǒng)的 GNSS 接收器仍然至關(guān)重要。Septentrio 接收器還提供大量有關(guān) GNSS 信號(hào)的信息，使用戶能夠深入了解欺騙信號(hào)，例如時(shí)間戳和功率級(jí)別。
在設(shè)計(jì)中實(shí)施安全措施的 GNSS 接收器將包括各個(gè)級(jí)別的欺騙彈性。例如，Septentrio AIM+高級(jí)干擾抑制技術(shù)是內(nèi)置于接收器硬件和軟件中的各種抗干擾和反欺騙組件的拼圖：
信號(hào)處理（HW）：信號(hào)認(rèn)證（OSNMA）、信號(hào)比對(duì)和異常檢測、跟蹤中衛(wèi)星一致性檢查
測量引擎 (SW)：原始測量的質(zhì)量檢查
定位引擎 (SW)：接收器自主完整性監(jiān)控(RAIM+) 和專有算法
圖 3 最佳的 GNSS/INS 欺騙保護(hù)來自于多個(gè)系統(tǒng)組件內(nèi)置的彈性。在 GNSS 接收器端，可以將反欺騙安全性納入硬件和軟件級(jí)別，例如 Septentrio AIM+ 技術(shù)。
GNSS 接收器和 INS 都有自己的欺騙保護(hù)機(jī)制，但是最佳的彈性來自于在組件級(jí)別上協(xié)同工作的檢測和緩解機(jī)制的組合。
維護(hù)接收器核心的安全
與任何與安全相關(guān)的領(lǐng)域一樣，需要不斷改進(jìn)以維持有效的反欺騙和抗干擾機(jī)制。鑒于當(dāng)今 GNSS 用戶面臨的威脅日益增加，GNSS 制造商有責(zé)任尋求最有效的安全方法。通過投資具有內(nèi)置彈性的 GNSS 接收器，集成商可以將安全維護(hù)工作留給 GNSS 制造商，而將精力集中在核心業(yè)務(wù)和傳感器融合上。事實(shí)上，本文討論的概念不僅適用于 GNSS/INS 系統(tǒng)，而且適用于任何傳感器融合系統(tǒng)（包括 GNSS 接收器）。智能GNSS技術(shù)從核心層面保護(hù)接收器免受干擾和欺騙，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
* GNSS：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯、中國北斗、日本QZSS和印度NavIC。這些衛(wèi)星星座向接收器廣播定位信息，接收器使用該信息來計(jì)算其絕對(duì)位置。
腳注 [1] 特斯拉 Model 3 在高速公路上被欺騙 – Regulus 導(dǎo)航系統(tǒng)被黑客攻擊導(dǎo)致汽車自行啟動(dòng)。
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