[原创]车载导航GPS欺骗

声明：文章涉及内容仅供学习研究参考，请勿违法使用！

先图后码。根据车载导航地图显示，目前车辆行驶在台北忠孝路五段，时速为70到90公里每小时。

 静态定位信息如下图所示：

 而我的真实位置，其实是在北京：

所以前两张图片显示的定位信息和速度是不真实的，是通过GPS欺骗实现的。要想了解GPS欺骗的原理，需要先解释一下GPS卫星定位的原理。关于GPS卫星定位的原理，知乎上有一篇通俗易懂的文章，《5分钟了解GPS定位原理》[1]，大致思路就是通过多颗卫星构造距离、速度和时间相关的多项式，然后求解坐标值。定位的前提是被定位的对象需要具备接收GPS信号的能力，这种能力一般通过GPS传感器提供，比如手机和车载导航系统均装备有GPS传感器。

换言之，GPS传感器通过接收卫星信号来实施定位。因此，如果我们能够模拟卫星信号，将模拟的信号通过信号发射装置发送给GPS传感器，那么就有可能实现欺骗GPS传感器获取虚假的位置信息，这种技术即SDR（软件无线电，Software Defined Radio）[2]。能够实现SDR的主流开源硬件产品包括usrp、HackR和bladerf等等，其中usrp功能和性能比较强大，HackR使用最为方便，因此我们的实验使用HackRF进行。

 HackRF One

HackRF的工作模式为半双工模式，即同一时间只能接收或者发送信号，不可同时进行。其工作频率范围为1 MHz到6 GHz，通过USB与PC相连。其他相关特性如下列表所示：

• half-duplex transceiver

• operating freq: 1 MHz to 6 GHz

• supported sample rates: 2 Msps to 20 Msps (quadrature)

• resolution: 8 bits

• interface: High Speed USB (with USB Micro-B connector)

• power supply: USB bus power

• software-controlled antenna port power (max 50 mA at 3.3 V)

• SMA female antenna connector (50 ohms)

• SMA female clock input and output for synchronization

• convenient buttons for programming

• pin headers for expansion

• portable

• open source

通过HackRF One实现GPS欺骗的原理如下图所示：

 HackRF发射GPS卫星信号的过程描述如下：

1）PC端SDR信号处理软件生成GPS信号数据，经由系统内核、USB传送至HackRF；

2）HackRF收发控制模块将数字信号转换为模拟信号，并控制信号收发模块发送信号；

3）模拟信号通过天线发送给附近的GPS传感器。

在了解了基本的原理之后，我们接下来开始进行本次实验。

为了模拟车辆行驶状态下连续接收的GPS信号，我们需要首先使用GoogleEarth生成运动轨迹，接着使用StatGEN处理路径数据，最后借助gps-sdr-sim [3]工具生成静态GPS数据。

使用GoogleEarth生成轨迹 

使用GoogleEarth生成轨迹，并导出为kml格式数据包，接着将kml格式数据导入SatGEN，生成MNEA格式文件。

 最后使用gps-sdr-sim生成动态GPS信号数据：

 得到GPS信号数据之后，使用HackRF发射GPS信号：

 这个时候，我们靠近车辆，打开导航，等待1分钟左右之后，地图提示切换了城市：

 接着导航箭头开始随着预设的轨迹移动：

 至此实验成功，我们成功地把车“开到”了台北市。关于使用HackRF实现GPS欺骗的成功率，包含了多种因素。其中两个最重要的因素包括：

1）系统使用的定位手段是否单一，考虑到导航APP可能使用GPS、基站和其他定位系统混合定位，进行实验时需要将导航APP设置为仅GPS定位模式；

2）HackRF是否使用了时钟模块，时钟模块决定了信号发送频率的精准程度，对实验的成败也是至关重要的。

对于时钟模块的对比实验结果总结如下：

1）在不使用时钟模块的情况下，实测手机高德地图、车载高德地图均欺骗失败，只有咕咚运动欺骗成功，并且成功的概率也是极低。

使用HackRF欺骗咕咚运动 

 2）在使用时钟模块的情况下，成功率接近百分之百。究其原因，在不使用时钟模块的条件下，HackRF发送信号的频率可能不十分精准，因此GPS传感器接收到信号之后可能无法正常解析GPS信号，因此时钟信号可能是HackRF进行GPS欺骗的关键。

 将时钟模块连接到HackRF上之后，可以通过如下命令验证时钟是否正常工作：

 如果输出为0x1，则表示时钟工作正常。

参考文章

https://zhuanlan.zhihu.com/p/58518430

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%94%B5

https://github.com/osqzss/gps-sdr-sim

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