现代世界越来越依赖GNSS卫星星座提供的精密导航与定时（PNT）服务。GNSS的全球覆盖及其准确性推动了其应用范围的扩大，随着技术进步和强大且低成本接收器的普及，GNSS已成为关键定位和时机领域的主导力量。
对GNSS日益依赖的同时，人们对其脆弱性及其全球服务和基础设施风险的认识也随之提高。尤其是欺骗和干扰攻击正在增加，GNSS系统的开发者越来越专注于应对这两大威胁。本文先讨论常见的干扰技术，然后介绍反干扰解决方案以及射频天线在防御干扰攻击中的关键作用。
GNSS的经济效益
GNSS服务对全球经济贡献显著，2019年的一项研究估计，自20世纪80年代GPS首次提供以来，美国私营部门已累计获得1.4万亿美元的经济利益。英国政府于2023年委托的一项较新研究显示，GNSS带来的经济收益为每年136.22亿英镑（见图1）， 其中应急服务和道路部门占了大多数。
这些日益增长的益处伴随着失去关键基础设施风险的相应增加。当GNSS信号到达地表时，其功率远低于环境噪声水平，接收器很容易被其频段内或邻近的更强信号淹没。虽然这种干扰可能是无意的，由频谱过度拥挤或基于站点的干扰等因素引起，但恶意代理人故意干扰GNSS服务的行为正在增加。这种中断可能带来严重影响，对于自动驾驶等应用，甚至可能危及生命。对于依赖GNSS精确导航的农业和建筑行业来说，定位错误可能带来重大经济后果，影响作物产量、项目进度和整体盈利能力。同样，时序信号的丧失也可能严重影响通信网络和能源基础设施，导致财务损失和关键任务服务的中断。上述英国研究估计，GNSS七天中断对英国的经济影响为76.44亿英镑，而单日中断对美国经济的损失估计约为10亿美元。
欺骗和干扰攻击
对GNSS的依赖日益增长，伴随着通过欺骗或干扰攻击等蓄意干扰的威胁增加。伪装是一种智能干扰手段，通过发送虚假的GNSS信号，试图让GNSS接收器误以为自己身处不同位置。伪造攻击被认为是更危险的恶意攻击形式，因为它们通常可能未被发现，但相对更难生成。
而干扰攻击则可以通过廉价且易得的设备发起。自2016年以来，GPS干扰持续增加，2024年东地中海、黑海、波罗的海地区、波兰和斯堪的纳维亚部分地区成为全球最严重的扰地区（见图2）。
干扰技术
干扰是指发射超过GNSS接收器阈值的射频信号，实际上提高了噪声底，使接收器无法区分卫星信号和干扰信号。灵敏度较差的接收机更容易被强烈的干扰信号淹没。干扰器可以发射各种类型的射频信号。
带外干扰是指干扰信号从目标波段外发射，强干扰信号溢出到GNSS频段，导致干扰并干扰接收机，或仅仅导致接收机过载。带内干扰时，干扰信号在卫星频段（L1、L2、L5）内传输，强度足以压过较弱的GNSS信号。带内干扰无法被滤除，但通过适当的滤波，带外干扰可能被克服。
连续波长（CW）干扰是最直接的干扰方法，将干扰信号的全部功率集中到单一频率，阻断同一波长上的其他信号。由于现代接收机可以通过陷波滤波器克服CW攻击，攻击者还可以采用扫频调制技术，即连续以交替频率传输多个CW信号，从而提高信号的有效性。干扰器还可以使用弹幕技术，依次发射一波窄带信号，在目标GNSS频段的全部或部分宽度范围内制造噪声。
方向性精确有助于提升干扰攻击，市面上有类似枪械的干扰装置，采用定向天线，设计用于精确瞄准特定目标。虽然在包括美国和英国在内的大多数国家作干扰设备是非法的，但个人获得干扰设备并不困难，网上搜索会发现各种各样的设备可供选择。小型干扰器可发射1瓦功率，大小约为香烟包，而较大的录像机大小设备可传输至100瓦。作为背景说明，乌克兰军事冲突中使用的干扰器通常大小如卡车，发射功率约为1千瓦。
故意干扰，曾经是专门的军事活动，现在任何能购买或制造信号干扰器的人都可以使用。
GNSS防干扰策略与技术
GNSS接收器的设计者在应对干扰时可采用多种策略，包括：
零陷系统：在干扰信号方向形成 “零陷” 区域；若存在多个干扰信号，可在每个干扰源方向分别生成零陷。
波束成形：将射频波束定向指向已知 GNSS 卫星，降低干扰概率 —— 因为干扰信号需与卫星信号来自完全相同的方向才能生效。
信号切除：剔除超出设定阈值的窄带信号，剩余信号经转换后用于上述 “零陷” 处理。
作为接收机处理卫星信号的第一个组件，GNSS天线在防干扰中起着关键作用，因此天线的正确选择和安装至关重要。例如，如果天线饱和，第一道防线就会失效，接收机将无法校正GNSS信号。
主动天线包括嵌入滤波器，如表面声波（SAW）或陶瓷，能够有效防止带外干扰，最大化GNSS波段内的增益，同时衰减其外信号。
传统GPS天线通常是全向的，而防干扰天线则聚焦于已知GNSS卫星的特定方向，从而降低了对发射干扰信号的接收。受控接收模式天线（CRPA）将多个天线元件组合在一起，这些元件间距已知，形成自适应天线阵列。结合信号处理技术，该阵列可以确定干扰信号的到达方向，从而调整天线的辐射模式，从而产生指向干扰信号方向的低增益或“零点”（见图3）。CRPA在减轻各种干扰方面非常有效，包括带内干扰，尽管CRPA系统需要足够的天线元件来抵消每种干扰信号。
支持多频段和多星座的天线系统提供了一定程度的多样性，这在主信号扰时可以提供替代方案。先进的多频段GNSS接收器可与CRPA结合，通过独立消除不同GNSS频段来抵御多重干扰攻击。
设计CPRA和多频段天线系统需要专业知识和测试工具，这会为GNSS接收机的开发周期增加大量时间、复杂性和成本。专注于天线设计的公司，如Taoglas，通过提供现成设备，并配合深入的支持和定制服务，可以显著加快上市时间。
反干扰技术的潜在未来发展
对GNSS信号的威胁日益复杂，需要持续关注先进反干扰解决方案的开发和实施。军方和政府部门在反干扰技术的研发中承担了大量工作，相关举措包括：
先进的信号处理算法旨在提升抗干扰性能。
开发紧凑型集成的反干扰解决方案，将多元件天线阵列和信号处理集成于一体。
抗干扰卫星通信（SATCOM）系统的发展。
卫星的改进，提供更多功率以增强对干扰的抵抗力。
随着GNSS技术不断发展并日益与关键任务系统集成，开发强有力的反干扰解决方案将继续是确保其长期完整性的优先事项。
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