自2000年全面向民用開放以來，全球定位系統(GPS)已經完全滲透到生活的方方面面：應用于定位、導航、地圖和授時，又或者裝備在車輛、手機，手表上，更不用說車道級導航、公交優先、采礦、測量等領域了。

24顆主要衛星在2萬公里外的軌道上向地球反射電磁波束，地面接收站收到信號并給出其位置和時間。GPS調諧接收器到四顆衛星的信號，三個用來確定GPS接收器的緯度、經度和海拔高度，第四個則提供同步校正時間，然后計算出終端相對于四顆衛星和地球的三維位置。

下表顯示了三種低功率射頻信號:手機、GPS和DSRC的信號強度列表。

射頻信號越弱，信號越容易被隨機噪音攻擊所干擾，上表清楚地說明了GPS信號的最大弱勢所在。

在地球表面接收到的GPS信號功率(1.78*10^- 16w)比用于V2V通信的最弱DSRC射頻信號功率(1.00*10^-03 W)弱5萬億倍(5.62*10^+12)。

我認為，對于交通當局、交通工程協會及其應用方來說，利用簡單、廉價的干擾攻擊來解決GPS通信的脆弱性是極其重要的。我們要正視這個問題。

GPS干擾器的破壞范圍

▼在大范圍的破壞性和用于大范圍GPS干擾工作的有限資源之間，存在著強大的不對稱性，這對不法人士極具吸引力。與涉及爆炸物、槍支和刀具暴力的硬恐怖襲擊不同，大范圍GPS干擾雖然是非法的，但對許多人和組織來說是非暴力的。

近程GPS干擾機是商用的，一個典型的型號是0.960瓦的輸出功率干擾裝置，在15米到40米范圍內可以做到完全屏蔽GPS信號。

▼關鍵問題：擁有少量資源的敵方可以部署一個廣域GPS干擾設備，其影響的覆蓋范圍是多大，以使其在一個較大的連續地理區域中完全禁用所有GPS接收？但關鍵是使用僅500美元的3千瓦便攜式發電機,再加上大約1萬美元的玻璃纖維貨車,就可以完全關閉一個直徑1.5公里圓形區域內的GPS服務。

任何一個稱職的電子愛好者、技術人員或工程師都應該能夠用幾百美元的零件制造干擾電子設備。

▼若別有用心的人，在擁擠的多車道高速公路上使用大范圍GPS干擾機，會獲得相對不錯的效果。尤其是當使用那種更為復雜的超大范圍干擾機——一對拋物線形天線可以沿著高速公路行駛軸向正反兩個方向集中干擾射頻功率。

特別是使用更復雜的、影響更深遠的干擾器設置時，用一對拋物線形的天線，沿著高速公路的行進前后方向，來集中所有的干擾射頻功率。

使用簡單的功率密度公式并沒有考慮到由于空氣中的濕度（水蒸氣）或降雨而造成的輻射功率損耗，但是無可否認的是，大范圍GPS干擾攻擊具有不對稱吸引力。

與玻璃纖維車身的廂式貨車不同，金屬車身較小的trades廂式車可以將雙后窗涂上顏色，以掩蓋一對面向后的拋物面天線。

一輛較小的車輛可以攜帶一個9千瓦時存儲容量的電池，在3kW的功率下，干擾機可以工作三個小時。天線可以偽裝成車頂行李架，或者藏在安裝在車頂行李架上的塑料貨物或滑雪箱中。

脆弱性的顯現

▼重復的大面積隨機干擾GPS接收是一種社會道德敗壞的“軟”恐怖，而不是物理破壞的硬恐怖。

不法人士對城市發動一系列有新聞價值的、廣泛的GPS干擾攻擊，確實反映了GPS定位導航的脆弱性。目前有越來越多的人對社會不滿，他們將自己的憤怒在社交媒體上展示。這些人只要搞個小陰謀，就可以輕而易舉地開發出GPS干擾器，并在隨機選擇的時間和地點部署它們，從而獲得他們滿意的媒體效果。

防御干擾

▼精確定位GPS干擾攻擊的來源并不容易。防御者需要復雜的設備來進行三角定位。

干擾設備的移動性使跟蹤變得復雜，正如干擾進程的簡潔性一樣。一個漫游的GPS信號接收干擾小組，輪流執行偽隨機干擾計劃，將增加攔截難度。

▼當局希望通過招募一些志愿者，來逮捕干擾攻擊者，志愿者要配備有GPS接收器的智能手機。在大量分散的此類設備上，一款APP應用程序可以向中央計算機報告GPS信號因干擾攻擊而丟失的確切時間和位置。中央計算機將計算出干擾影響區的實時地圖，通過三角測量輔助定位。

一些高端智能手機有慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)，用于在沒有GPS信號的情況下跟蹤運動。然而，慣性傳感器具有漂移效應，每隔幾分鐘就需要GPS信號進行校正。

▼由于可見光不受射頻干擾，本文作者提出了一項防堵技術——緩解高速公路交通擁堵，采用將發光信號和光纖通信結合起來，以視覺方式傳輸給司機。

但不管如何處理這個問題，我們必須承認GPS信號接收存在潛在的危險，并正視這個問題，除非我們希望“GPS壞了”成為新的常態。

如何計算干擾機的有效距離

▼功率密度公式是電子射頻工程師用來計算無線電發射機有效信號功率的最簡單公式。

假設射頻發射器天線位于球體的中心，接收器天線與發射器在球體表面的給定距離（半徑）處。假設從球體中心輻射的信號功率均勻地分布在球體的整個表面區域。

半徑球表面積的公式R=4 * pi * R ^ 2

射頻功率密度公式為：

其中：
P S =距離R處的功率密度[Watts / m ^ 2]，
S = --------------- P =天線處的RF信號功率[Watts]，
4 * pi * R ^ 2 pi = 3.14，
R =球面的半徑，單位為米[m]。

▼我們知道，功率輸出為：
P1 = 0.960 [W]的短程GPS干擾器（＃1）就可以干擾GPS信號，使其遠離干擾器的天線，例如：R1 = 15 米。

我們假設寬范圍干擾器（＃2）使用便攜式發電機，其輸出功率為三千瓦= 3000 [W]，并且干擾器設備的效率為90％，因此干擾器天線的輻射功率為：
P2 = 0.9 * 3000 [W.] = 2700 [W]

在最大有效范圍R2 [m]時，寬范圍干擾器的功率密度S2 [W / m ^ 2]必須等于短距離干擾器的功率密度S1 [W / m ^ 2]其15 [m]范圍：

P1 P2
S1 = ----------------- = S2 = ---------------- [W / m ^ 2]
4 * pi * R1 ^ 2 4 * pi * R2 ^ 2

▼重新排列方程以求解寬范圍干擾源的最大有效范圍R2 [m]：

4 * pi * R1 ^ 2 P2
R2 ^ 2 = ----------------- * ----------------- [m ^ 2]
P1 4 * pi

R1 ^ 2 * P2
R2 ^ 2 = ----------------- [m ^ 2]
P1

（R1 ^ 2 * P2）
R2 = SQRT（------------------）[m]
（P1）

（15 ^ 2 * 2700）
R2 = SQRT（------------------）[m]
（0.960）

R2 = SQRT（632,813）[m]

R2 = 795 [m ]

▼以大范圍干擾器天線為中心的圓的直徑D2 [m]，在該圓內的所有GPS信號接收均被干擾：

D2 = 2 * R2 = 2 * 795 = 1590 [m]

原作者：Steve Petrie

審核編輯：黃飛