GPS卫星信号劫持技术详解

一、基本原理

GPS信号劫持利用了GPS接收设备默认选择最强信号源的特性。攻击者通过伪造比真实卫星信号更强的GPS信号，使目标设备接收虚假的位置信息。

关键原理：

• GPS接收器会优先处理信号最强的信号源
• 通过发射功率更强的伪造信号可以覆盖真实卫星信号
• 需要精确模拟GPS信号的时间、星历等参数

二、攻击准备

1. 硬件设备

• HackRF One：软件定义无线电设备，用于发射伪造GPS信号
• 天线系统：确保足够的发射功率和覆盖范围

2. 软件工具

• Google Earth：用于规划伪造的运动轨迹
• SatGenNMEAFree：将KML轨迹文件转换为GPS数据格式
• gps-sdr-sim：开源GPS信号模拟工具
• 虚拟机环境：建议使用Linux系统运行相关工具

三、详细攻击步骤

伪造动态轨迹攻击

步骤1：创建伪造运动轨迹

1. 安装并启动Google Earth
2. 在目标区域使用"添加路径"工具绘制运动路线
3. 将路径保存为KML格式文件
4. 将KML文件传输到虚拟机环境

步骤2：转换轨迹格式

1. 使用SatGenNMEAFree工具将KML转换为NMEA格式
   • NMEA是GPS设备标准协议格式
   • 主要使用GPGGA语句格式描述坐标、海拔和时间
2. 或转换为ECEF坐标轨迹文件(CSV格式)
   • 包含时间(秒)、x坐标、y坐标、z坐标四列数据

步骤3：获取GPS星历数据

1. 访问NASA的GPS数据服务器：
   ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/[年份]/brdc/
2. 下载当天的星历数据文件(扩展名为.19n)
   • 选择数据量完整的文件(通常为倒数第二组)
   • 必须使用最新数据，旧数据成功率低

步骤4：生成伪造GPS信号

1. 使用gps-sdr-sim工具生成信号文件：

   ./gps-sdr-sim -e 星历文件.19n -n 轨迹文件.nmea -b 8
   

   参数说明：

   • -e：指定星历文件
   • -n：指定NMEA格式轨迹文件
   • -b：量化位数(8或16)

2. 生成gpssim.bin信号文件

步骤5：发射伪造信号

使用HackRF发射伪造GPS信号：

hackrf_transfer -t gpssim.bin -f 1575420000 -s 2600000 -a 1 -x 47 -R

参数解析：

• -t：目标数据文件
• -f：发射频率(1575.42MHz，GPS L1频段)
• -s：采样频率
• -a：是否开启增益
• -x：增益值(0-47)
• -R：重复发射模式

步骤6：等待生效

• 需要约40秒时间使目标设备接收足够强的伪造信号
• 目标设备的GPS定位将显示为预设轨迹

伪造静态位置攻击

1. 下载GPS导航电文(同动态攻击步骤3)
2. 生成静态位置信号：

   ./gps-sdr-sim -e brdc1760.19n -l 纬度,经度,高度 -b 8
   

3. 使用HackRF发射信号(同动态攻击步骤5)

四、技术难点与解决方案

1. 信号无法立即生效

   • 原因：GPS设备需要时间锁定更强的信号源
   • 解决：持续发射40秒以上

2. HackRF设备异常

   • 非正常结束后需要重启设备
   • 确保设备正确初始化

3. 星历数据问题

   • 必须使用当天最新数据
   • 检查数据完整性，避免使用不完整文件

五、防御措施

1. 使用多源定位系统(GPS+GLONASS+北斗)
2. 部署信号异常检测机制
3. 对关键应用实施位置信息交叉验证
4. 使用加密的GPS信号(如军用的P(Y)码)

六、法律与伦理警示

GPS信号劫持技术可能涉及多项法律禁止的行为，包括但不限于：

• 无线电管理条例的违反
• 对关键基础设施的干扰
• 隐私侵犯
• 导航欺骗导致的公共安全威胁

本技术文档仅用于安全研究和防御目的，切勿用于非法活动。