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關(guān)于GPS安全性和原理
GPS一般指全球定位系統(tǒng)，是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。以下是小編整理的關(guān)于GPS安全性和原理，希望能夠幫助到大家。
GPS安全性和原理1
GPS的安全性并不是一個新話題。
最著名的例子恐怕要算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的降落在伊朗東北部的Kashmar。這架完好的無人機為伊朗軍方提供了一個極好的研究標(biāo)本，他們從中獲取了不少技術(shù)和軍事機密。
從那以后，GPS欺騙的研究就越來越火了。
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(yuǎn)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。就像下面這張圖的情況，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(fù)雜的格式，發(fā)射方法。一個商用級的GPS模擬器售價高達(dá)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!
這會產(chǎn)生哪些后果呢?
美國德克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校，Todd Humphreys教授領(lǐng)導(dǎo)的無線導(dǎo)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(yīng)用中，這中攻擊就會產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。1996年，中國兩枚導(dǎo)彈發(fā)射失敗疑因GPS被美軍做手腳。
說到這里，要介紹一下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(biāo)準(zhǔn)是完全公開的。各個芯片廠家可以根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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。
在這里，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(rèn)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。
如今，全球只有四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：分別是美國GPS系統(tǒng)、歐洲伽利略GALILEO系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)。
目前中國仍然有大量的設(shè)備還在使用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。GPS欺騙攻擊的門檻已經(jīng)變得如此之低，不得不讓人擔(dān)憂這些系統(tǒng)的安全性。在無法改變GPS芯片的情況下，建議開發(fā)者們在應(yīng)用層結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位，Wifi定位等各種信息，做一個綜合的判斷，避免定位定時錯誤可能帶來的后果。
最后，關(guān)于低成本GPS欺騙攻擊的更多技術(shù)細(xì)節(jié)，360 UnicornTeam將在今年夏天的DEFCON23大會上演講中詳細(xì)介紹。
GPS安全性和原理2
所謂的GPS，全稱叫做全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），是世界上第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。早在20世紀(jì)70年代，美國就開始研制，經(jīng)過差不多20年的研發(fā)時間，耗資200億美元，最終在1994年全面建成。
GPS的定位原理并不難，其實就是三角定位法。簡單來說，就是通過在不同的位置測量衛(wèi)星和接收器之間的距離，從而確定接收器的位置。通常來說，一個接收器需要隨時至少能夠和4顆GPS衛(wèi)星直接聯(lián)系，才能精確判斷自己所處的位置；如果只有3顆衛(wèi)星，那么就無法判斷海拔高度；如果只有2顆，那就無法計算精確位置了。
由于工作原理的限制，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量也有一個下限。以美國的GPS為例，至少要有24顆衛(wèi)星在軌道上正常運行，才能保證地球上絕大部分地區(qū)能夠隨時“看到”4顆GPS衛(wèi)星，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。
根據(jù)要求和目的的不同，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也可能不止24顆衛(wèi)星。比如備用衛(wèi)星或者其他軌道的衛(wèi)星等等
對于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用途，我們大家都非常熟悉，平時出門的時候想要導(dǎo)航或者定位，都會用到這個系統(tǒng)。可以說，如果沒有導(dǎo)航，我們的日常生活將會失去很多便利。
不過，它的作用絕不僅僅在于此，除了民用之外，它還在許多領(lǐng)域發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。
以海運為例，別說是這些巨輪在航行過程中需要通過GPS來導(dǎo)向，甚至在卸貨的時候吊取集裝箱的時候，起重機都需要借助GPS來確定自己該吊哪個集裝箱。
還有現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，也非常依賴全球?qū)Ш较到y(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助農(nóng)民進行農(nóng)機車輛導(dǎo)航、平地、精確播種、噴藥、撒肥、數(shù)據(jù)管理以及作物活力檢測和變量控制等等工作，不論是在效率上還是在準(zhǔn)確率上，都比人工管理要高得多。
當(dāng)然了，全球?qū)Ш较到y(tǒng)還有一個非常重要的作用，那就是在軍事方面的重要意義。首先就是導(dǎo)彈的制導(dǎo)，需要利用GPS等系統(tǒng)來進行導(dǎo)航，從而精準(zhǔn)地?fù)糁心繕?biāo)。除了導(dǎo)彈之外，無人機也需要根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航來確定攻擊目標(biāo)的位置。還有軍事行動中，軍隊也可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)判斷自己的位置，確定行進方向。
倫敦經(jīng)濟學(xué)院曾經(jīng)進行過一項評估，他們認(rèn)為，如果GPS中斷5天的時間，那么將會對英國造成高達(dá)51億英鎊（約合65億美元）的經(jīng)濟損失！對于美國來說，GPS故障一天的損失也將高達(dá)10億美元。如果是發(fā)生在4-5月，也就是農(nóng)業(yè)的播種季節(jié)，那么每天的損失甚至高達(dá)15億美元！
目前，全世界一共有四個國家/地區(qū)擁有屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，除了美國的GPS之外，還有歐洲航天局的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
其中，格洛納斯是早在蘇聯(lián)時期就開始建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，蘇聯(lián)解體后，俄羅斯于1993年繼續(xù)建設(shè)該系統(tǒng)，最終于2007年開始運營。原則上講，格洛納斯只需要18顆衛(wèi)星就能保證俄羅斯境內(nèi)用戶的使用。為了防止意外，格洛納斯系統(tǒng)還需要發(fā)射一些備用的衛(wèi)星。截至2012年時，該系統(tǒng)一共有24顆衛(wèi)星在軌。
從功能到全球覆蓋范圍再到精確度等方面，格洛納斯和GPS之間有一點差距，但差別并不大。相比之下，格洛納斯更擅長在北半球、尤其是高緯度地區(qū)發(fā)揮作用，因為俄羅斯就處于這個范圍內(nèi)。根據(jù)俄羅斯航天局局長羅戈津的說法，俄羅斯國內(nèi)的手機都裝有格洛納斯系統(tǒng)，所以他們不需要完全依賴GPS系統(tǒng)。
看到上面的介紹大家就知道，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于一個國家來說有多么重要，但另一方面，建設(shè)這樣的系統(tǒng)又有多么困難。即便如此，我國科學(xué)家還是憑借著聰明才智，為我國建設(shè)了屬于我們自己的`導(dǎo)航系統(tǒng)，那就是北斗導(dǎo)航。
2020年6月30日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空，這標(biāo)志著我國北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。
可以說，北斗導(dǎo)航的組網(wǎng)，再一次提升了我國的國際地位和綜合國力，讓全世界對中國刮目相看。憑借著北斗導(dǎo)航，我們的腰桿子更硬了，也不用懼怕其他國家切斷信號。
甚至可以說，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個國家的重要“武器”。正因如此，格洛納斯也成為了俄羅斯航天局投資最多的項目。
隨著人類科技的發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也面臨著越來越多的干擾，比如來自其他國家的干擾、犯罪分子的干擾，同時還需要擔(dān)心的，就是太陽輻射的干擾。如果太陽活動過于劇烈，也有可能使GPS失靈。
目前，這些國家也都在盡量對自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行不斷的更新和升級，使其具有更加強大的功能。目前來看，擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是一個國家提升話語權(quán)的重要依仗。
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