大疆无人机如何防范GPS欺骗攻击？

什么是GPS欺骗？

我们需要区分两个核心概念：GPS欺骗 和 GPS干扰。

• GPS干扰：这是一种“蛮力”攻击，通过发射大功率的噪声信号，淹没掉真正的GPS卫星信号，使GPS接收机无法解算出自己的位置、速度和时间，其结果是无人机完全丢失GPS信号，通常会触发失控保护，尝试自动返航或原地悬停（如果高度足够且IMU正常），这相当于让无人机“看不见”卫星了。

• GPS欺骗：这是一种“智取”攻击，攻击者不压制真实信号，而是伪造出虚假的GPS信号，并让这些虚假信号的功率比真实信号更强，无人机接收到这些“伪卫星”信号后，会错误地计算出自己当前的位置、速度和时间，攻击者可以引导无人机飞向错误的位置，或者让它以为自己在空中静止，从而使其失去正常的导航能力。

简单比喻：

• 干扰：就像在一个安静的房间里，有人用超大音量播放噪音，你完全听不清别人在说什么。
• 欺骗：就像有人模仿你老板的声音，用非常逼真的语气给你打电话，让你相信了一个错误的指令。

GPS欺骗的原理与实现

GPS欺骗的核心是信号生成，攻击者需要具备以下设备：

1. 软件定义无线电：这是最关键的设备，SDR是一种可以通过软件来定义其功能的无线电设备，攻击者可以使用SDR（如HackRF One, Ettus USRP等）来生成和发射GPS信号。
2. GPS信号处理软件：开源软件如 GPS-SDR-SIM 是实现GPS欺骗的常用工具，它可以在计算机上模拟GPS卫星信号，并将这些信号通过SDR发射出去。
3. 天线：需要一个合适的天线来发射伪造的GPS信号，使其能被无人机有效接收。
4. 位置信息：攻击者需要知道无人机的大致位置，这样才能生成一个“看起来”合理的虚假信号（将无人机的位置从A点欺骗到B点）。

欺骗过程：

1. 信号捕获：攻击者使用SDR监听并截获真实的GPS卫星信号，获取信号的参数（如频率、编码、时间戳等）。
2. 信号伪造：利用GPS-SDR-SIM等软件，攻击者创建一个全新的GPS信号集，在这个信号集中，他会将某个或某几个卫星的信号替换为伪造信号，并调整这些伪造信号中的导航电文数据，从而改变解算出的位置信息。
3. 信号放大与发射：将伪造的GPS信号通过SDR和天线发射出去，为了确保无人机优先接收虚假信号，攻击者通常会提高发射功率，使其比真实卫星信号更强。
4. 无人机“中招”：大疆无人机的GPS模块接收到这些虚假信号后，会将其作为有效数据进行解算，由于信号更强，无人机会迅速锁定这些“伪卫星”，并开始按照错误的位置信息进行飞行或悬停。

对大疆无人机的具体影响

大疆无人机为了应对GPS信号问题,设计了多层保护机制，但GPS欺骗依然能对其造成严重影响：

• 导航失效：无人机会错误地认为自己在某个完全不同的位置，或者以错误的速度和方向飞行，这会导致：

  • 自动返航点错误：如果此时触发自动返航，无人机会飞向错误的返航点，最终导致炸机。
  • 智能飞行模式失效：跟随模式可能会跟丢，兴趣点环绕会绕错地方。
  • 精准降落失败：无人机无法准确识别起飞点，导致降落失败。

• 失控保护被绕过：这是最危险的一点，无人机通过GPS判断自己是否在失控范围内，如果攻击者成功欺骗无人机，让它认为自己仍然在信号良好的范围内（原地不动），那么即使遥控器和无人机之间的实际控制信号已经丢失，无人机也不会触发失控保护（如自动返航），这会导致无人机“安静地”悬停在错误的位置，直到电池耗尽而坠落。

  
  （图片来源网络，侵删）

• 位置记录错误：无人机记录的飞行轨迹、航点等所有位置信息都会是虚假的，给事后分析带来极大困难。

大疆无人机的防护措施

大疆非常清楚GPS欺骗的风险,并在其无人机中集成了多种防护手段：

1. 多传感器融合：这是最重要的防护，大疆无人机不仅依赖GPS，还会融合IMU（惯性测量单元，包含陀螺仪和加速度计）、气压计、视觉系统等多种传感器的数据，即使GPS信号被欺骗，其他传感器依然能提供相对准确的姿态、高度和位置信息，多传感器融合算法（如卡尔曼滤波）会综合判断各个传感器的可信度，当GPS数据出现突变或与其他传感器数据严重冲突时，系统会降低GPS数据的权重，甚至暂时“忽略”GPS，依靠其他传感器继续飞行。

2. 信号完整性检测：GPS模块内置了信号质量检测算法，它可以分析信号的细微特征，如信号功率的稳定性、多径效应等，欺骗信号通常与真实信号在特征上存在差异，系统可能会识别出异常并报警。

3. 多星定位：现代无人机需要同时接收多颗卫星（通常超过10颗）的信号才能进行精准定位，欺骗所有可见卫星的信号难度更高，因为攻击者需要同步生成大量一致的虚假信号。

4. RTK（实时动态差分）技术：对于支持RTK的专业级无人机（如Mavic 3E/Mavic 3T），其定位精度和抗欺骗能力更强，RTK基站会提供修正数据，极大地提高了定位的可靠性，使得欺骗攻击更加复杂和困难。

尽管有这些防护，但“道高一尺，魔高一丈”。 在足够强大的欺骗攻击面前，特别是针对特定型号无人机的定制化欺骗，大疆的防护措施也可能被突破。

法律与伦理风险

在中国及绝大多数国家，未经授权对任何飞行器（包括无人机）进行GPS干扰或欺骗都是极其严重的违法行为。

• 危害公共安全：无人机失控可能导致其坠落在人群、建筑物、机场等敏感区域，造成人员伤亡和财产损失，甚至引发空难。
• 触犯法律：
  • 《中华人民共和国刑法》中关于“以危险方法危害公共安全罪”的条款可以适用于此类行为，最高可判处死刑。
  • 《中华人民共和国治安管理处罚法》也对扰乱公共秩序的行为有明确的处罚规定。
  • 《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》等法规对无人机的使用有严格限制，任何恶意干扰行为都将受到严厉惩处。
• 伦理问题：此类行为严重侵犯了他人财产权，并对社会秩序构成威胁，是极不负责任且不道德的。

警告： 本文旨在科普技术知识，严禁任何人尝试或实施任何形式的GPS干扰或欺骗行为，相关技术仅限于授权的防御性研究和安全测试领域。

• GPS欺骗是一种通过伪造GPS信号来误导无人机位置的攻击方式，比GPS干扰更具隐蔽性和危险性。
• 它可能导致无人机飞向错误位置、返航失败、失控保护失效，最终引发炸机。
• 大疆无人机通过多传感器融合、信号完整性检测等技术进行防护，但在高级攻击下并非万无一失。
• 此类行为是严重的犯罪，会带来毁灭性的法律后果，并严重威胁公共安全。

对于普通用户而言,了解这些风险是为了更好地安全飞行，并确保自己的无人机在合法、合规的环境下使用，对于专业领域，研究这些技术是为了开发更强大的防御系统，以保护关键基础设施和空域安全。

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