超强抗干扰GNSS接收机：挪威干扰测试大会结果分析

全球各地对提高弹性PNT系统（定位、导航、时间）的需求与日俱增，许多国家都希望通过 PNT 服务增强国家韧性。地缘政治的紧张局势使得GNSS在热点地区的安全运行受到严重的挑战，这使得处在像芬兰等热点边界地区的商业公司正在寻找能够检测恶意干扰源的GNSS接收机。对于参考站网络、无人机巡检、无人机物流、时间同步等许多GNSS应用而言，PNT 系统性能下降或丢失的后果不堪设想。因此，这些关键应用中使用的 GNSS 接收机必须具备最高级别的韧性才能在充满挑战的环境中稳定可靠的运行。

AIM+ 抗干扰和防欺骗功能可抵御实时 GNSS 干扰

Septentrio 的GNSS 接收机具有优异的抗无意和恶意干扰和欺骗能力。其中干扰是指当GNSS系统的频率被其他无线电信号影响而导致定位精度下降或完全失去定位结果输出的现象。欺骗是一种恶意的无线电干扰，即向GNSS接收机发送误导信号，从而导致其输出错误的坐标使得设备偏离预定轨道。在实际干扰条件下去测试接收机性能对于验证和不断改进抗干扰和抗欺骗算法是至关重要的，为此Septentrio 参加了挪威政府在偏远的安岛（Andøya island）组织的大规模的JammerTest 2023活动，即在受控环境下进行现场干扰测试。Septentrio 经常参加此类测试活动，但由于大多数此类活动都是保密的使得无法公开分享测试结果。而此次挪威的干扰器测试却是首批鼓励分享测试结果公开活动之一，所以这里可以将本次测试的结果分享给大家参考。

通过在挪威为期 5 天的密集测试，证明了Septentrio的 AIM+ 抗干扰和抗欺骗技术在实际干扰条件下是有效的。测试结果表明，在实际干扰条件下接收机技术起着关键作用，而天线技术则起辅助作用。通过在各种不同类型的欺骗攻击下对接收机进行测试，其结果表明在多种防欺骗机制共同发挥作用的情况下接收机有最佳的抗欺骗性。

萨博是一家大型航空航天和安防设备公司，携带其基于Septentrio GNSS接收机的空中交通管理系统参加了此次 JammerTest 活动并验证了 Septentrio 接收机的韧性。

“虽然乘客们可能没意识到，但每年都有数以亿计的乘客依靠萨博的空中交通管理系统安全到达目的地。这些系统中的绝大多数又依赖于 GPS/GNSS 进行定位和时间同步。安全无小事，萨博很荣幸能够利用Septentrio设备提供业界领先的抗欺骗和抗干扰能力。萨博和Septentrio在本次干扰测试（JammerTest）中的合作展示了我们的组合是卓有成效的。”萨博空中交通管理公司销售和战略总监罗伯特.布朗如是说。

Robert Brown

Director of Portfolio, Sales and Strategy, Saab Air Traffic Management

Septentrio GNSS receivers vs competition at JammerTest 2023

AIM+ 检测和抑制GNSS 干扰

在这 5 天的活动中，Septentrio 接收机与几台友商的接收机一起在各种干扰情况下进行了测试。下图显示在干扰过程中测试车上的 Septentrio GNSS接收机在整个路线（橙色轨迹）上都能准确定位，而对比的高端 GNSS/INS接收机则两次失去定位输出（红色轨迹）。在实际应用中失去定位后果是很严重的，不仅会导致业务中断、人员或财产损失、还会对公司声誉造成负面影响。例如，受到干扰的无人机可能会失去控制而坠毁，或者在更先进的自动驾驶系统的控制下进入 "悬停"、"着陆 "或 "绕圈 "模式，亦或者切换到其他传感器（如 INS），而 INS 可能会在没有绝对定位的情况下随着时间累积而漂移。

在这个测试中使用了一种 "点烟器 "类型的干扰器，这是最常见的干扰器类型之一，可以很容易地在网上购买到。它发射的信号功率在 10-15 dBm 之间，可干扰 GNSS L1 和 L2 信号。其余测试则使用了信号强度比GNSS信号高一千万倍的高功率干扰器。

下图显示了使用 "点烟器 "低功率干扰器进行动态干扰测试的结果。下图信噪比/时间图显示，干扰开始时，跟踪的 GNSS 信号质量下降。Septentrio 接收机能持续保持跟踪和定位，而竞品接收机则会在一段时间后失去定位输出。

在为期一天的密集干扰测试中，从简单的连续窄带干扰到最复杂的宽带传输干扰等各种类型的干扰下，使能 AIM+ 功能的几台接收机均达到了 99.5% 的定位可用性。

GNSS 接收机内部的魔法

对于特别重要的GNSS应用，抗干扰天线可在最大程度上抵御射频干扰。在干扰测试中，3 台接收机在严重的多频宽带干扰下使用三种天线进行对比测试。下面的信噪比/时间图显示了测试期间的信号质量。在图中最上面部分，使用标准全星全频螺旋天线的接收机关闭了AIM+ 抗干扰功能，在干扰期间会立即失去对卫星信号的跟踪。而采用相同天线且使能了 AIM+ 抗干扰功能的接收机则能连续跟踪信号并可以完成定位输出（图中中间部分）。图中最下部分是使能了 AIM+ 功能并且使用了抗干扰天线的结果。与使用标准天线相比，信号质量的下降幅度略小，接收机可以持续跟踪信号并可以完成定位输出。

Antenna-comparison-receiver-with-without-AIM+ septentrio

通过使用几款不同的抗干扰天线进行测试，我们得出如下结论。（一）、上述测试中抗干扰天线可将干扰降低约 10dB。（二）、Septentrio接收机抗干扰技术AIM+在干扰场景下的定位起主要作用。（三）、在干扰强度仍略高于接收器的抗干扰能力的情况下，天线则起到辅助作用，可以提高定位的概率。（四）、虽然抗干扰天线对宽带 "白噪声 "干扰很有效，但对其他类型的干扰就不那么有效了。

综合的抗欺骗性能需要多重防护齐上阵

现如今由于发射机硬件和信号模拟器软件很容易获得，GNSS的欺骗行为也变得越来越普遍。从简单的异步欺骗到复杂的同步类型，欺骗信号可以几乎与真实的 GNSS 信号相同，黑客利用这些不同类型的欺骗设备来劫持定位、导航或时间。要实现最高等级的防欺骗保护和环境感知，GNSS接收机需要多层保护：

● 多频信号可以有效减少被欺骗概率

● 环境感知的高级异常检测算法

● 使用加密技术进行卫星信号鉴权

AIM+ GNSS欺骗的检测、指示和抑制

欺骗实际上比干扰更危险，因为其风险不仅在于停止工作，还可能劫持导航从而造成蓄意碰撞或盗窃等高风险后果。下图显示了在GNSS系统受欺骗攻击时测试车上几个不同GNSS接收机的定位情况。

GNSS receiver Septentrio not spoofed vs competition

在上图中，Septentrio 接收机（每幅图中的橙色轨迹）成功抑制了 GNSS 干扰，显示出沿海公路的精确定位且误差小于10米。第一个竞品接收机（左侧的蓝色轨迹）受到干扰后定位结果直接 "飞 "过山脉。中间图是第二个竞品接收机（绿色轨迹），它输出了与蓝色轨迹相近的欺骗轨迹，还有较大的异常值。右图是第三个竞品接收机（红色轨迹），欺骗对它的影响更为严重，不仅输出了错误的位置，此位置还与欺骗源设置的位置不同。在这次欺骗攻击中，Septentrio 接收机能够持续正常工作，一方面是因为它具有全星全频的信号接收能力，可通过切换到其他星座的健康信号来减轻欺骗的影响。另一方面，更为重要的是得益于其优异的抗干扰能力。因为在大多数欺骗攻击中最初都是用干扰来破坏接收机对GNSS信号的锁定以增大欺骗信号在重捕获时被接受的概率。

Septentrio 接收机持续检测 GNSS欺骗行为

在几天的现场欺骗测试实验中，我们用多款接收机收集了大量数据。通过对这些数据的分析得到下图结果：与竞争对手不同的是，在不同类型的欺骗测试中Septentrio 接收机始终能够检测出有欺骗发生并将欺骗标志位置位，而竞品接收机的欺骗标志始终没有置位。这种将GNSS系统骗到远离真实位置的欺骗行为是非常危险的，因为它可能导致系统损坏、设备碰撞、甚至危及到大众的生命和财产安全。

Unflagged spoofed positions with error of more than 10 metres : Septentrio GNSS receiver vs competition

OSNMA 伽利略信号鉴权检测GNSS系统欺骗行为

另一种防欺骗保护是使用导航电文鉴权（NMA）功能，它利用加密技术鉴别虚假生成的信号。下图显示了伽利略系统的 OSNMA 工作情况。

GPS spoofing detection on Septentrio GNSS receiver - web user interface

虽然 OSNMA 对许多类型的欺骗都很有效，但仍有可能被 "meaconing "欺骗，这是一种复制和延时重播真实信号的欺骗方法。因此，NMA 应当与如高级异常检测等其他多重保护方式联合使用以确保更加全面的欺骗保护性能。

久经考验且经得住考验

始终准确且有效的定位、导航和时间是在具有挑战的环境中成功开展工业或特殊行业应用的关键。通过定期参加干扰测试大会（JammerTest）等现场活动，Septentrio 的抗干扰和抗欺骗技术不断得到实测和改进以抵御最新的干扰攻击，该技术的有效性也得到了现场用户的证实。

虽然抗干扰天线可以起到辅助的抗干扰的作用，但最为有效方法仍是使用具有先进的抗干扰和防欺骗功能的GNSS接收机。对于欺骗而言，在接收机内使用多重保护技术可使其更大程度上免受不同类型欺骗的攻击。Septentrio接收机有多种产品形态，从坚固耐用的接收机整机到OEM板卡和重量轻、功耗低的紧凑型模组mosaic-X5供不同应用选择。另外，mosaic-X5易于集成，并与Pixhawk、ArduPilot和PX4 Autopilot等主流飞控系统兼容。欲了解更多有关弹性GNSS接收机和相关的技术信息，请联系Septentrio。