2001年本科畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系

2003年碩士畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系

2008年博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)電子工程系

格蕾絲博士（高杏欣）已經(jīng)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域做出了非常值得一提的貢獻(xiàn)。她的研究專注于新型全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)所使用的信號(hào)及其接收機(jī)。格蕾絲是首個(gè)破解伽利略試驗(yàn)衛(wèi)星和北斗一代地球中軌道衛(wèi)星所使用的編碼規(guī)則的人。2005年10月，歐洲人發(fā)射了伽利略系統(tǒng)的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星，即GIOVE-A。該衛(wèi)星的信號(hào)于2006年1月被激活。在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，格蕾絲與實(shí)驗(yàn)室里的其它工作人員一道捕捉到了三個(gè)波段上的新民用信號(hào)。在接下來的幾周里，格蕾絲獨(dú)立工作，破解了GIOVE-A用于生成編碼的底層算法，并對(duì)其三個(gè)波段上所使用的頻率進(jìn)行了解碼。她的成果作在2006年5-6月份的《Inside GNSS》封面故事“新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的愿景與全貌”中被刊發(fā)。在此之后不久，全世界的接收機(jī)公司都使用她的編碼來制造原型接收機(jī)以獲取和跟蹤伽利略衛(wèi)星的信號(hào)。

2007年4月，中國發(fā)射了屬于其北斗一號(hào)系統(tǒng)的首顆地球中軌道衛(wèi)星。在其先前取得成功的技術(shù)基礎(chǔ)上，格蕾絲解調(diào)了這顆M1衛(wèi)星上所有民用碼廣播的三個(gè)波段頻率（E2,E5b,E6），證實(shí)了所有的北斗-M1編碼都是Gold碼，并且破解出其編碼生成器為線性移位反饋寄存器。她還將這些偽隨機(jī)數(shù)碼應(yīng)用于一個(gè)軟件接收機(jī)中獲取并跟蹤北斗-M1衛(wèi)星。2008年4月，歐洲人發(fā)射了GIOVE-B，即伽利略系統(tǒng)的另一枚試驗(yàn)用原型衛(wèi)星。格蕾絲又在第一時(shí)間破解了其底層編碼生成器。 格蕾絲于2008年9月在斯坦福大學(xué)取得博士學(xué)位。之后她繼續(xù)從事斯坦福研究項(xiàng)目中有關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，聯(lián)邦航空局資助了這一項(xiàng)目。她已經(jīng)在各類會(huì)議上提交并發(fā)表了16篇高質(zhì)量的論文。她是2007年國際導(dǎo)航技術(shù)大會(huì)的資助學(xué)生，在這屆大會(huì)上，她的論文贏得了該屆大會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)。清華大學(xué)精儀系本科畢業(yè)的女學(xué)生高杏欣，在斯坦佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間破解了我國北斗二代定位導(dǎo)航衛(wèi)星的信道編碼規(guī)則，隨之發(fā)表了多篇高水平的論文，并獲得了美國航空無線電委員會(huì)的表彰。消息傳到國內(nèi)，一石引起千層浪，招來罵聲一片。有人稱她在清華大學(xué)就讀時(shí)就參與過北斗項(xiàng)目，她在美國的研究是吃里扒外的漢奸賣國行為。

除了網(wǎng)上的傳言，她在清華是否參加過北斗項(xiàng)目不得而知，但想必讓其掌握核心機(jī)密的可能性很小。而且，若她在美國的研究真的破解了我國軍事機(jī)密，美國想必會(huì)對(duì)此嚴(yán)格保密，在未來的軍事對(duì)抗中拿將出來，一定可以搞我們個(gè)措手不及，不太會(huì)像現(xiàn)在這樣高調(diào)公開，從而讓我們提前防范。

那她的研究究竟是怎么回事呢？這得從衛(wèi)星通信的編碼流程說起。

衛(wèi)星要對(duì)信號(hào)按信源編碼+加密編碼+信道編碼的次序進(jìn)行處理，其中信源編碼的作用是使用更精煉的符號(hào)來攜帶更多的信息，加密編碼的作用當(dāng)然就是加密了，信道編碼的作用是將前面已經(jīng)生成的碼處理成更適應(yīng)信道傳輸?shù)拇a。衛(wèi)星使用電池工作，發(fā)射功率不可能很大，加上其距離地面成千上萬公里，信號(hào)傳到地面時(shí)功率會(huì)衰減到很小，甚至?xí)�被淹沒在背景噪聲之中。那該如何保證接收端能正確接受呢？關(guān)鍵就在于信道編碼，導(dǎo)航衛(wèi)星普遍采用了擴(kuò)頻技術(shù)，即用一個(gè)擴(kuò)頻碼序列代表原碼中的“1”，用它的反碼代表原碼中的“0”，這個(gè)擴(kuò)頻碼序列被稱為碼片（chip），原來的10序列就變成了由碼片組成的新序列。舉個(gè)例子，如果由碼片“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”代表原碼中的“1”，由“+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1”代表原碼中的“0”，則原碼序列“101”就變成“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”這樣的碼片序列了，為了便于您區(qū)分這三段，中間加了兩處空格，而實(shí)際序列中是沒有空格的。

地面的接收站收到信號(hào)后，要按上述的編碼次序的反序進(jìn)行解碼，這就好比下床時(shí)按先內(nèi)衣后外衣的次序穿衣服，上床時(shí)就要按先外衣后內(nèi)衣的次序脫。在進(jìn)行信道解碼時(shí)，將接收到的序列按每8位分成一段，然后用已知的碼片序列“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”去跟每段逐位相乘，然后再相加，以上述的“101”為例，其三段的第一段“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”，跟“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”逐位相乘，第一位是-1乘-1得+1……，相加的結(jié)果是+8，第二段結(jié)果是-8，第三段是+8。由于信道中有很大干擾，在碼片序列中的每一位上都會(huì)迭加上不同的干擾值，這些干擾值跟“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”逐位相乘再相加，會(huì)因?yàn)檎��?fù)相抵而削弱。顯然，若碼片長度是100，則上述結(jié)果就會(huì)是“+100 -100 +100”，而隨著碼片長度的增加，信號(hào)增強(qiáng)噪聲抵消的效果就越發(fā)明顯，實(shí)際中的碼片長度會(huì)成千上萬。

這段話不好理解，不妨打個(gè)比方，我在紙條上寫100個(gè)+1和-1的總數(shù)相等的序列，例如-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1......，你也在紙條上寫100個(gè)段話，分別是 贏78 輸23 輸39 贏42 輸8......你寫的序列中輸贏次數(shù)及總量是均勻的。

都寫好后雙方都把紙條亮出來，你的第1條贏78對(duì)應(yīng)的是我的-1，此條算你輸我78元，你的第4條贏42對(duì)應(yīng)我的+1，此條算你贏我42元。由于我寫的正負(fù)次序你是不知道的，最終的輸贏應(yīng)該接近打個(gè)平手，按術(shù)語說就是數(shù)學(xué)期望為0。如果只寫幾條，你都碰對(duì)的可能性還不小，但隨著序列越長，就越傾向于打平手。

而高杏欣出現(xiàn)了，她偷看了我寫的+1和-1序列，她寫的序列是 輸23 輸39 輸8 贏78 贏42......這個(gè)序列的輸贏次數(shù)及總量也是均勻的，在外人看來跟你寫的沒啥兩樣。但她的次序是號(hào)著我的脈搞出來的，每條都是她贏，結(jié)果就是連贏100把，序列越長，累加的錢數(shù)就越多。

從時(shí)間次序來看，空中的干擾就好比是你寫出的正正負(fù)負(fù)大大小小很亂但很均衡的序列，而我寫的+1和-1序列就是前面說的碼片序列，兩個(gè)序列所對(duì)應(yīng)的正負(fù)是不相關(guān)的，對(duì)應(yīng)相乘再累加就把噪聲抵消了。而把所傳輸?shù)男盘?hào)有意搞成高杏欣那個(gè)序列的樣子，那在接收端與碼片序列（即我寫的+1和-1序列）進(jìn)行相乘再累加運(yùn)算，那信號(hào)自然就會(huì)大大增強(qiáng)了。

由此可以看出，序列越長，接收效果就越好，但是，由一大長串正負(fù)1來表示原始的一個(gè)“1”或“0”，效率會(huì)隨著序列的增加而降低，這就有個(gè)效率與可靠性的平衡問題了，一般說來，幾千位的序列是比較常見的。

言歸正轉(zhuǎn)回到北斗，北斗一代是由幾顆對(duì)地靜止同步軌道衛(wèi)星組成的，位于我國上空，提供區(qū)域級(jí)的定位導(dǎo)航服務(wù)。2007年4月14日，我國發(fā)射了M-1衛(wèi)星，這是北斗二代的第一顆衛(wèi)星，北斗二代跟一代有很大不同，預(yù)計(jì)發(fā)射35顆星，其中非靜止軌道30顆，靜止軌道5顆。與美國GPS和俄羅斯GLONASS一樣，北斗二代是全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，我國有望搶在歐洲的伽利略系統(tǒng)之前成為第三個(gè)GNSS（Global Navigation Satellites System）俱樂部成員。國外常用的北斗英文名是Beidou或Compass。

按照國際法，衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星頻率信道先占先得，歐洲的伽利略系統(tǒng)跟北斗二代的頻率有重合部分，但伽利略系統(tǒng)的第一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于05年打上去后很長時(shí)間沒有動(dòng)靜，而北斗二代07年后卻是連續(xù)地打，與伽利略形成了競爭關(guān)系。雖說頻率信道先占先得，但總是要先備案的，我們在國際電信聯(lián)盟備案了四個(gè)頻率，分別是1590MHz、1561MHz、1269MHz、1207MHz。M-1打上去后引起了廣泛關(guān)注，法國的國家空間研究中心就盯著研究了一個(gè)月，并公布了1589.74 MHz（E1）、1561.1 MHz（E2）、1268.52 MHz（E6）、1207.14 MHz（E5b）四個(gè)實(shí)測頻率。

北斗二代并不是高杏欣的第一個(gè)破解目標(biāo)，伽利略系統(tǒng)的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星于2006年1月被激活后，在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，她就與實(shí)驗(yàn)室里工作人員一道捕捉到了三個(gè)波段上的信號(hào)，并在接下來的幾周里破解了信道編碼，對(duì)北斗二代M-1衛(wèi)星的破解，更多的是上述工作的重復(fù)。

她和她的團(tuán)隊(duì)使用了斯坦佛大學(xué)的GNSS監(jiān)控站，圖2為1.8米的監(jiān)控站碟形天線，圖3為監(jiān)控站的便攜式地面設(shè)備。地面設(shè)備的核心是安捷倫89600矢量信號(hào)分析系統(tǒng)，配合其專用的VXI總線的測試設(shè)備，可對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行非常深入的分析，這套組合非常高端，可對(duì)三種國際3G標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行測試分析，包括我國提出的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，甚至下一代的LTE設(shè)備。

衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過長徒跋涉后衰減很大，到天線那里的功率就只剩下區(qū)區(qū)10的十六次方分之一瓦特了，雖然斯坦佛GNSS監(jiān)控站很先進(jìn)，可以把信號(hào)放大300多倍，但信號(hào)還是會(huì)弱到無法識(shí)別。有人可能會(huì)問，這么高端的設(shè)備都識(shí)別不了，那丁點(diǎn)大小的用戶機(jī)是咋識(shí)別的呢？原因就在于合法的用戶機(jī)里有前面說的碼片序列，與帶擾信號(hào)進(jìn)行逐位相乘再相加后，可以大幅度的放大信號(hào)和抵消干擾。作為破解者，高杏欣并不知道這個(gè)碼片序列（事實(shí)上這個(gè)碼片序列正是她想要知道的），那她會(huì)怎么辦呢？

她采用的是相同碼片累加法，從很長的接收序列中找出相同的段落，然后對(duì)齊累加，原碼片部分正正加得更大的正，負(fù)負(fù)加得更小的負(fù)，而不同時(shí)段的干擾部分因互不相關(guān)，會(huì)趨向于正負(fù)抵消，對(duì)齊累加的段落數(shù)越多，則干擾被抑制得越多，碼片幅度被放大得越大。

為說明這個(gè)方法，不妨設(shè)計(jì)一個(gè)游戲，我和其他10個(gè)人都寫個(gè)8位數(shù)，+1和-1各4個(gè)，然后把這11個(gè)序列諸位相加，形成一個(gè)新序列，假如7個(gè)人的第1個(gè)數(shù)是+1，4個(gè)人的第1個(gè)數(shù)是-1，則新序列的第1個(gè)數(shù)是+3，以此類推。把這個(gè)新序列交給高杏欣，讓她來猜我寫的序列是什么。她還知道兩個(gè)情況，即我永遠(yuǎn)寫“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”這個(gè)序列，而其他10個(gè)人的正負(fù)次序每次都變，互相也不溝通。

那她如何猜呢？她會(huì)要求玩很多把這個(gè)游戲，等手上攢了一大把新序列的紙條后，就把這些紙條對(duì)齊，逐位都累加起來再得到一個(gè)更新的序列，例如-78，-82，-69，+89，+58，-56，+66，+77。

她知道只玩一把并靠一張新序列的紙條是猜不出來的，因?yàn)槲业臄?shù)據(jù)被其它10個(gè)人的亂數(shù)據(jù)給淹沒了。但她同時(shí)知道那10個(gè)人的數(shù)據(jù)每次都是隨機(jī)變的，而且又是互不相關(guān)，搞的次數(shù)多了，這10個(gè)人的每一位的數(shù)值和就會(huì)趨向于0，而我的次序是固定的，在第1236位永遠(yuǎn)貢獻(xiàn)-1，在4578位永遠(yuǎn)貢獻(xiàn)+1，隨著游戲次數(shù)的增多，我的固定次序就脫穎而出，從“-78，-82，-69，+89，+58，-56，+66，+77”中就可以讀出，我的次序就是“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”。

說著容易做著難，特別是如何找到相同的段落？如何對(duì)齊？這涉及到多普勒頻偏消除、相位調(diào)整等很復(fù)雜的技術(shù)問題，但她的文章并沒有詳細(xì)地介紹。

好了，某個(gè)碼片被她找到了。很明顯，設(shè)計(jì)者不會(huì)把幾千位的碼片數(shù)據(jù)存在衛(wèi)星上的閃存里，這種調(diào)用式的編碼方式效率太低而成本太高，通常都是用移位寄存器來編碼的。由找到的碼片特例來倒推出移位寄存器的結(jié)構(gòu)，跟從“0，2，4，6，8……”倒推出f(x)=2x公式一樣，需要破解者的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)技巧，當(dāng)然也少不了計(jì)算機(jī)的仿真運(yùn)算，她們用MATLAB軟件把這個(gè)移位寄存器的結(jié)構(gòu)給分析出來了，這個(gè)結(jié)構(gòu)直接對(duì)應(yīng)著生成多項(xiàng)式，而生成多項(xiàng)式相當(dāng)于f(x)=2x這樣的公式，知道輸入，經(jīng)這個(gè)生成多項(xiàng)式一計(jì)算，碼片就編出來了。

至此，高杏欣在沒有得到授權(quán)的情況下，就可以跟蹤利用北斗二代了，但她所獲知的東西，在北斗二代將來民用化后都是會(huì)提供給用戶的，現(xiàn)在所使用的短碼是民用的，而且也并未有意做防破解處理。北斗二代的頻率是不能隨便換的，但其中的編碼和算法等都是可以任意重設(shè)的，在將來實(shí)際應(yīng)用時(shí)，完全可以做到與GPS的P碼一樣，重復(fù)一次需要267天，那這種靠對(duì)齊累加來提取碼片的方法就不靈光了。

北斗一代除了定位導(dǎo)航外，還有一個(gè)與眾不同的功能，即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，報(bào)道稱北斗二代繼承了一代的優(yōu)點(diǎn)，想必這個(gè)優(yōu)點(diǎn)也繼承了，而數(shù)據(jù)通信的安全取決于加密編碼體制，這是不同于信道編碼的另一個(gè)層面的問題，她的研究與此無關(guān)。

高杏欣的研究也并不是沒有意義，北斗在一些波段上覆蓋了GPS和伽利略系統(tǒng)，研究北斗衛(wèi)星信號(hào)的編碼調(diào)制方式可以幫助搞清楚系統(tǒng)之間是否會(huì)產(chǎn)生沖突。

高杏欣將現(xiàn)行的民用短碼的信道編碼生成多項(xiàng)式公開，想必并不是北斗設(shè)計(jì)者所樂見的，但對(duì)北斗二代的安全，特別是軍事應(yīng)用的安全，并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的危害�！�