GNSS 干扰与欺骗：类型、原理及其对定位和授时的影响（内含抗干扰欺骗测试方案教程）

GNSS不仅提供位置，还提供速度和时间，即PVT（Position、Velocity、Time）。因此，干扰的影响既可能表现为导航中断，也可能传递到通信同步、测量系统和依赖时间戳的业务中。深度认识这些风险，需要同时理解信号如何受到影响，以及接收机为什么会相信错误信息。

 

一、为什么GNSS容易受到干扰

卫星信号经过长距离传播，到达地面时已经非常微弱。以GPS L1 C/A为例，IS-GPS-200N在规定的参考天线和接收条件下，给出的最低接收功率为−158.5 dBW，换算为−128.5 dBm。注意这个数值用于说明信号的量级，并不代表所有卫星、所有频点或接收机天线口都具有相同功率。

GNSS接收机利用已知的伪随机码进行相关处理，从噪声中提取卫星信号。因此，“信号低于接收带宽内的噪声功率”并不意味着无法定位。但是，额外干扰会降低有效信号质量；更强的干扰还可能使射频前端压缩、饱和，使后续处理难以恢复有效观测量。

 

二、三种干扰类型

我们可以将人为引起的GNSS射频威胁称之为干扰（Interference），并整理为以下框架。对于故意性干扰，采用工程中常见的用法，分为故意压制信号强度导致定位异常的压制性干扰（Jamming）以及故意诱导错误结果的欺骗性干扰（Spoofing）。注意后文提到的干扰基本特指的是压制性干扰。

 

这种区分关注的是干扰的来源和目的。压制性干扰主要威胁服务可用性，欺骗性干扰主要威胁结果可信度，但两者的实际后果并不完全分离：压制也可能导致错误输出，欺骗也可能造成失锁和服务中断。

1.非故意干扰：设备正常运行，也可能影响GNSS

非故意干扰不需要有人主动发射“干扰信号”。通信设备、电子电路或异常射频设备产生的无用发射，只要进入GNSS接收链路，就可能产生影响。常见机制包括：

 

• • 邻频泄漏与带外发射：其他设备的无用发射进入GNSS接收带宽。

• • 谐波：设备产生的整数倍频率分量落入GNSS频段。

• • 互调：多个信号经过非线性器件后，产生新的频率分量。

• • 强带外阻塞：干扰虽在目标频段之外，但功率足够大，使接收链路中的放大器或混频器进入非线性状态。

所以，“干扰频率没有落在GNSS中心频点上”并不能证明它没有影响。反过来，不能仅凭附近存在发射设备，就认定它一定构成干扰，还需要结合频谱、滤波、隔离和接收机性能判断。

2.压制性干扰：不同波形怎样影响接收机

压制性干扰是通过发射干扰信号，影响接收机对真实GNSS信号的正常接收和处理。它通常不以诱导特定虚假位置为目的，而是使定位、测速或授时性能下降，严重时导致卫星失锁和服务中断。根据频谱覆盖、波形和持续方式的不同，常见形式包括瞄准式、阻塞式、扫频式、多音式，以及脉冲或间歇式干扰。

 

• • 瞄准式干扰把能量集中于特定频率或较窄频段，单音连续波和窄带噪声是常见例子。它是否有效，取决于频率位置、目标信号结构和接收机处理方式。一个窄带干扰源也可能同时影响多颗卫星，因为同一频段中的多个卫星信号共享接收前端，并非“一根谱线只影响一颗卫星”。

• • 阻塞式干扰通常以噪声或其他宽带信号覆盖较宽频率范围。覆盖范围越宽，并不意味着在相同总功率下必然越有效：单位带宽中的能量会发生变化，接收机实际接收了多少干扰，也取决于其带宽与滤波特性。JRC的实测研究表明，同一宽带干扰对不同接收机和不同信号的影响存在差异。

• • 扫频式干扰的频率随时间变化，线性扫频常称为Chirp。它在某一瞬间可能很窄，但在一段时间内扫过较宽范围。对带宽较窄的接收机，扫频信号周期性进入和离开接收通带，可能表现为脉冲式干扰。这也说明，“扫频”和“脉冲”在接收端并非完全独立的现象。

• • 多音干扰同时包含多个离散频率分量，可以在频谱上形成多个尖峰。它描述的是波形结构，可以持续存在，也可以间歇出现；多个音调位于一个频段内，也不等于已经覆盖多个GNSS频段。

• • 脉冲或间歇干扰在时间上不连续。其影响不能只用平均功率衡量，还与峰值、持续时间、重复规律及接收机抑制算法有关。实验研究显示，脉冲消隐等处理可以改善部分场景中的性能，但不能据此认为所有接收机都能抵抗脉冲干扰。

 

压制性的干扰分类方法很多，不同的分类框架下，其分类方式与侧重可能也有变化，这里做一个简单的梳理与示例：

 

3.欺骗性干扰：信号能跟踪，结果却可能不可信

欺骗性干扰通过伪造、操纵或转发GNSS信号，使接收机输出错误的位置、速度或时间，与压制干扰造成信号质量下降、失锁不同，欺骗发生时，接收机仍可能持续跟踪卫星并显示“定位正常”，但其使用的观测量或导航数据已经不可信。国际知名的标准制定与推广机构NIST明确区分了“测量欺骗”和“数据欺骗”：前者改变到达时间、频率等观测量，后者提供错误数字数据用于处理和PVT计算。更细化一些，我们可以将欺骗分为四类。

（1）非同步生成式欺骗

由信号发生设备合成一套虚假的GNSS信号，但不与目标当前接收的真实信号充分对齐。例如，伪造信号对应另一个位置或时间，其码相位、多普勒及导航数据可能与真实信号存在差异，信号强度一般远高于真实信号。这类信号可能在接收机启动、失锁后重新捕获等阶段被接受，使设备在虚假场景中完成定位。对于已经稳定跟踪真实信号的接收机，非同步信号不一定能够直接接管，也可能先表现为干扰、失锁或解算异常。

 

（2）同步接管式生成欺骗

这类欺骗信号更注重伪造信号与真实信号之间的连续关系。伪造信号先在码相位、多普勒等方面接近真实信号，一般功率也仅比真实信号略大，使接收机难以将两者区分；接管成功后，再协调改变各卫星的测量关系，让位置或时间逐渐偏离。这个过程通常称为渐进拖曳（Carry-off）。与突然跳到错误位置相比，缓慢偏移可能不容易触发简单的跳变检测。

 

（3）转发欺骗

这种方法利用的可以是真实卫星信号：先在A点接收，再通过转发链路送到B点的目标接收机。由于各卫星的观测关系形成于A点，目标成功跟踪整套转发信号后，可能将自己的位置解算到A点附近，而非实际所在的B点。需要注意，这里的A点指转发接收天线的位置，不一定是再次发射信号的位置。对于简单整体转发，各卫星通常增加近似相同的链路延迟，这部分主要被接收机解算为钟差。例如，100 ns延迟对应约30 m公共伪距增量，但不能直接等同于30 m定位偏差；如果A、B基本重合，主要影响可能体现在授时，而不是明显的位置变化。

 

4.导航电文欺骗

这种办法重点操纵接收机用于解算的数据，例如卫星星历、卫星健康状态、时钟改正和时间转换参数。即使接收机能够正常跟踪信号，错误数据仍可能影响其对卫星位置、时间或可用性的判断，进而导致错误解算或服务不可用。导航电文认证可以增强对此类威胁的防护。例如，Galileo OSNMA用于验证特定导航数据的来源和完整性，但电文通过认证，并不等于所有测距观测量都已被证明真实，也不代表能够抵抗压制干扰。

上述分类描述的是不同方面：非同步与同步关注接管方式，转发关注信号来源，导航电文欺骗关注被操纵的内容，因此它们可能交叉出现。评估欺骗影响时，既要看设备是否输出错误结果，也要看它能否及时识别异常、停止使用不可信数据，并在异常消失后恢复正常工作。

 

三、干扰造成的影响，不能只看“有没有定位”

GNSS性能通常涉及精度、可用性、连续性，以及出现不可信结果时能否及时告警。接收机仍然输出坐标，并不代表这些指标都满足要求。

压制干扰可能先造成观测噪声增大、部分卫星失锁和定位精度下降，随后才发展到完全无法解算。因此，只记录“定位成功/失败”，可能漏掉已经发生的性能退化。

欺骗则可能在卫星数量、定位状态看似正常时，使位置或时间发生偏差。在航空领域，监管机构已明确提示GNSS异常可能影响导航、监视和地形告警等依赖GNSS输入的系统。这些是可能后果，不能直接推断任何一次异常都会造成相同风险。

因此，从干扰检测与防护角度讲也是一样的，不能只对定位偏差进行监控，我们可以结合多种观察量原始数值与相关算法构建GNSS干扰欺骗检测防护，例如：

 

• • 平均信噪比 (CN0)：其能够及早发现欺骗攻击。通过设置高于平均CN0值的阈值，任何CN0值的显著升高都可能表明存在欺骗攻击。该方法实施起来相对简单，并且能够针对潜在的欺骗事件提供及时的警报。

• • 伪距残差监测：原理是计算卫星估计距离与实测伪距之间的差异。在非相干攻击中，伪距与实际值差异较大，该方法能够检测到较大的残差，从而表明存在欺骗行为。

• • 频谱、功率和增益监测: 通过功率、频谱的突变与异常，能够识别到异常事件的存在。