8月21日凌晨，在新加坡東邊不遠處的海域，美國海軍“麥凱恩”號導彈驅(qū)逐艦與一艘商船相撞，導致10名水兵失蹤、5人受傷。
這并不是美國海軍撞船事故的首例，僅是今年，這已經(jīng)是美國海軍第四次在亞洲海域發(fā)生撞船事故！被視為海上第一霸主的美國海軍，怎么會接連出現(xiàn)“不可思議”的低級失誤?與搜救工作同步展開的，是各種事故追責、技術(shù)討論……
“GPS欺騙”被推上風口
一些專家把該事故與今年6月17日發(fā)生的“菲茨杰拉德”號撞船事故聯(lián)系在一起，認為美國的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)受到黑客干擾，也就是所謂的“GPS欺騙”。
目前，全球軍艦和商船都使用GPS來確定自己與其他船只的位置。“GPS欺騙”行為會導致GPS跟蹤器錯誤識別船只的位置，使得船只弄錯方位，導致撞船事故發(fā)生。
GPS安全性并不是一個新話題
“GPS欺騙”已經(jīng)不是一個新鮮話題，最著名的例子要算2011年伊朗劫持美國無人機。2011年12月4日，美國的一架RQ-170無人機，在伊朗領(lǐng)空飛行。伊朗軍方并沒有擊落它，而是使用了某種GPS欺騙的方法使這架飛機乖乖地降落在伊朗東北部。這架完好的無人機為伊朗軍方提供了一個極好的研究標本，他們從中獲取了不少技術(shù)和軍事機密。
GPS系統(tǒng)的基本原理是怎樣的呢?
GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的分布經(jīng)過了巧妙的設(shè)計，這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛(wèi)星。為什么一定要4顆衛(wèi)星呢？GPS定位是通過測距來實現(xiàn)的。GPS接收機要測量每顆衛(wèi)星到它之間的距離，距離等于光速乘以時間，這就構(gòu)成一個方程式。衛(wèi)星的位置是已知的，接收機的空間三維位置是未知的，時間也是未知的，所以一共有4個未知數(shù)。因此我們需要4個方程，才能解出4個未知數(shù)。
那么，為什么GPS接收機能夠被欺騙?
GPS衛(wèi)星通過不斷的廣播信號，告訴接收機自己在什么位置。這是一個單向的廣播信號，而且經(jīng)過了太空到地面這么遠的傳播，信號已經(jīng)變得非常非常弱。此時，如果有一個GPS模擬器，在接收機旁邊，假裝成衛(wèi)星，那么這個模擬器的信號很容易蓋過真正的GPS信號。簡單來說，接收機只能聽到那個嗓門大的！
過去做一個GPS模擬器并不是一件容易的事，GPS信號有復雜的格式，發(fā)射方法。一個商用級的GPS模擬器售價高達百萬元人民幣。比較簡單的一種方法是“重放攻擊”，也就是錄制一段GPS信號，然后再播放出來，就像下圖的示例。
但是，隨著軟件無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，以及豐富的開源代碼不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)在，攻擊者已經(jīng)可以找到幾乎現(xiàn)成的開源代碼，配合軟件無線電設(shè)備，就能夠發(fā)射GPS信號，任意地點，任意時間，以假亂真!
GPS欺騙可能產(chǎn)生哪些后果?
美國得德克薩斯州立大學奧斯汀分校Todd Humphreys教授領(lǐng)導的無線導航實驗室是GPS安全研究領(lǐng)域非常領(lǐng)先的一個團隊。2012年，Todd Humphreys教授發(fā)表了TED演講，呼吁公眾注意GPS安全性；2013年，這個團隊成功欺騙了一艘游艇，改變了航向；2014年，他們又成功欺騙了一架無人機，控制了它的飛行位置……
除了擾亂定位系統(tǒng)以外，GPS欺騙還可以擾亂定時系統(tǒng)，改變通信基站，金融交易系統(tǒng)的授時信息。據(jù)說這樣的時間差，可以在交易中搶得先機于是從中獲利。在軍事應用中，這種攻擊就會產(chǎn)生更嚴重的后果。1996年，中國兩枚導彈發(fā)射失敗也疑似因為GPS被做了手腳。
GPS民用信號和軍用信號的差別
GPS衛(wèi)星在1575.42MHz發(fā)射的1.023MHz帶寬的信號，是民用信號，對全球開放的，標準是完全公開的。各個芯片廠家可以根據(jù)這個標準設(shè)計GPS芯片，用在各種電子設(shè)備中。
GPS衛(wèi)星在1227.60MHz發(fā)射的10.23MHz帶寬的信號，是軍用信號。這種信號使用了高強度的加密措施，只有美國軍方能夠使用。破解不是不可能，只是復雜度很高，也很難實現(xiàn)欺騙攻擊。也就是說，除了美國軍方以外，其他人都只能使用非常開放的民用GPS信號。
我們再說回到開頭的例子，為什么伊朗能夠劫持使用了美國“軍用”GPS信號的無人機呢?有專家分析認為，伊朗可能是通過壓制1227.6MHz的信號，使無人機的定位系統(tǒng)回退到1575.42MHz的民用信號，從而在不加密的民用信號上實現(xiàn)了欺騙。
考慮到GPS定位不是美國海軍唯一的導航手段，美國海軍對于反GPS欺騙應該具備成熟的防御能力，因此應用于軍艦的GPS欺騙論斷可能性極低。但是，GPS欺騙應用在商船上卻是行得通的。
顯然，按照上述說法，由于民用信號無加密措施，假設(shè)商船被GPS欺騙，發(fā)生偏離，直接撞向軍艦不是沒有可能！
可媲美GPS的中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)
GPS安全問題能直接影響國家安全。和平時期，GPS可自由使用，但如果發(fā)生戰(zhàn)爭，美國就可能會根據(jù)戰(zhàn)爭對自己的國家利益影響程度來決定誰可以繼續(xù)使用。
歷經(jīng)十幾年的奮起直追，中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)于2012年正式向亞太大部分地區(qū)提供服務(wù)，從而使中國成為為世界提供衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務(wù)的第四個國家。“北斗”系統(tǒng)可為亞太區(qū)域用戶提供高精度、高可靠的定位、導航和授時服務(wù)，是中國國家安全、經(jīng)濟和社會發(fā)展不可或缺的重大空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。
中國目前仍然有大量的設(shè)備在使用GPS定位，大到通信基站，船舶飛機，小到手機和各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。而GPS欺騙攻擊的門檻已經(jīng)變得如此之低，不得不讓人擔憂這些系統(tǒng)的安全性。
如今，關(guān)于GPS安全的研究日漸升溫。國外有領(lǐng)先的美國得德克薩斯州立大學奧斯汀分校無線導航實驗室，國內(nèi)也有頂尖的專注于無線電信息安全研究的360 UnicornTeam。在2015年，他們就曾登上國際知名安全會議DEFCON，分享關(guān)于“低成本民用GPS欺詐”的技術(shù)細節(jié)，引起了行業(yè)和政府的廣泛關(guān)注。
360UnicornTeam安全專家認為，隨著芯片廠家對GPS安全風險的重視，不少新一代的GPS芯片已經(jīng)加入了一些反欺騙措施，可辨別信號的特征從而監(jiān)測異常。
開發(fā)者們應盡量選擇更新版的具有防欺騙功能的芯片；在無法改變GPS芯片的情況下，也建議開發(fā)者在應用層結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位，Wifi定位等各種信息，做一個綜合的校驗判斷，避免定位定時錯誤可能帶來的后果。
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