衛星導航接收機捕獲階段抗欺騙干擾技術研究

董　斌，莫家文，涂衛軍，朱微波

(洪都航空工業集團公司,江西 南昌 330024 )

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衛星導航接收機捕獲階段抗欺騙干擾技術研究

董斌，莫家文，涂衛軍，朱微波

(洪都航空工業集團公司,江西 南昌 330024 )

衛星導航欺騙干擾信號依靠功率優勢可以使接收機誤捕獲欺騙信號，從而進入跟蹤、解算環節，使接收機解算出錯誤結果。在捕獲階段采取抗欺騙干擾措施，可以有效降低接收機在后續環節抗干擾處理的壓力。研究了欺騙干擾對接收機捕獲階段的影響，總結了基于上下限閾值和外部信息輔助的捕獲階段欺騙干擾檢測與抑制方法，可為導航接收機抗欺騙干擾設計提供技術參考。

衛星導航；欺騙干擾；信號捕獲；上下限閾值；外部輔助

0　引言

衛星導航欺騙干擾設備通過發播欺騙干擾信號，誘導接收機捕獲、跟蹤欺騙信號，使接收機解算出錯誤的位置、時間信息[1]。GNSS ICD文件公開民用導航信號體制，使干擾方產生并實施欺騙干擾成為可能[2]。2012年，美國德州大學奧斯汀分校Dr Humphreys的研究團隊成功進行了對大型游輪、無人直升機衛星導航系統的劫持試驗，使欺騙干擾成為現實威脅[3]。目前對抗欺騙干擾研究主要集中在跟蹤環路和解算環節[4-5]，信號捕獲階段的抗干擾研究較少。本文提出了一系列捕獲階段抗欺騙干擾方法，可為導航接收機抗欺騙干擾提供技術參考。

1　欺騙干擾對接收機信號捕獲影響

欺騙信號存在時，接收機中頻信號為：

(1)

式中，P為信號功率，C(t-τ)表示信號擴頻偽碼及初始相位，f為信號載波頻率，θ為載波初始相位，n(t)為有限帶寬下的噪聲模型。

欺騙干擾存在時，接收機進行并行碼相位捕獲，可能檢測到衛星信號與欺騙干擾相關峰。欺騙干擾信號依靠功率優勢，使接收機進行非相干積分選大判決時，誤捕獲欺騙干擾，如圖1所示。

圖1　真實、欺騙干擾信號非相干輸出相關峰

2　捕獲階段抗欺騙干擾方法

2.1基于上下限閾值的捕獲算法

衛星導航接收機進行信號捕獲時，信號(真實或欺騙干擾信號)的非相干檢測包絡v的概率密度函數服從中心參量為預檢測信噪比C/N的萊斯分布：

(2)

欺騙干擾存在的環境下，接收機可以同時捕獲到真實、欺騙信號的非相干積分值。干擾方為了保證接收機可以捕獲到欺騙干擾信號，傾向于產生干信比JSR較大的欺騙干擾信號，這為干擾信號檢測提供了可能。欺騙干擾較大的JSR導致(C/N)spoof高于(C/N)auth，從而使得真實信號、欺騙干擾預檢測積分包絡概率密度函數分離，如圖2所示。

圖2　真實、欺騙干擾信號預檢測積分包絡概率密度函數

在對衛星信號功率長期觀測、統計的基礎上，設定正常衛星信號非相干積分值閾值上限vth。信號捕獲結果若大于上限閾值vth，則認為捕獲結果為欺騙干擾，摒棄此捕獲結果并發出干擾預警，如圖3所示。

2.2基于外部速度信息輔助的捕獲算法

民用航空、遠洋船只除具有衛星導航接收機外，通常裝備有較高精度的慣性導航設備，可以提供較高精度的載體速度信息。INS可輸出載體速度矢量：VINS=(vINSx,vINSy,vINSz)及位置矢量PINS=(xINS,yINS,zINS)。解算星歷數據可得衛星速度矢量Vsat=(vsatx,vsaty,vsatz)和位置矢量Psat=(xsat,ysat,zsat)。根據INS數據及星歷數據計算的多普勒預測值如式(3)所示，式中e為單位視向矢量。

(3)

當接收機確定載體速度、星歷信息可用時，利用式(3)預測多普勒頻移[6]，如圖4所示。將捕獲的多普勒頻移結果與預測多普勒頻移進行一致性判決(通常為考慮誤差情況下的求差計算)，若判決結果大于閾值，則認為此結果為欺騙干擾，發出干擾預警；反之則認為是衛星信號，可轉入跟蹤環路。

圖3　基于上下限閾值的捕獲算法

圖4　基于外部速度信息輔助的捕獲算法

2.3基于外部位置信息輔助的捕獲算法

失去GNSS輔助時，誤差累計效應導致INS定位精度隨著時間而逐漸惡化，直至無法使用。在GNSS失鎖的一段時間內，民用航空和遠洋船只的高等級INS仍可以輸出一定精度范圍的位置信息。失鎖后，接收機仍保持失鎖前的幀同步信息和位同步信息。接收機根據捕獲到的偽碼相位計算GNSS偽距，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

由INS輸出的載體位置信息與星歷信息解算出衛星位置信息計算INS偽距r。將GNSS偽距與INS偽距進行一致性判據，若大于閾值則認為捕獲到欺騙干擾信號，棄用該捕獲結果并發出預警，反之則認為捕獲到真實信號，可轉入跟蹤環節，如圖5所示。

圖5　基于外部位置信息輔助的捕獲算法

3　結束語

本文以信號捕獲中的非相干積分為研究對象，分析了欺騙干擾對接收機捕獲階段影響。總結了基于上下限閾值和外部信息輔助的捕獲階段欺騙干擾檢測與抑制方法，可為導航接收機抗欺騙干擾設計提供技術參考。現代導航接收機面臨著極度復雜的欺騙干擾場景，本文提出的方法僅適用于部分欺騙干擾場景。實際使用環境中，干擾方可以通過實時探測目標接收機運動狀態，產生與衛星信號特征差異度較小的欺騙干擾信號。針對此類欺騙干擾信號，目前尚未有可靠的欺騙干擾檢測與抑制方法，這也是本文后續研究的重點。■

[1]Panagiotis P, Aleksandar J.GNSS-based positioning:attacks and countermeasures[C]∥The IEEE MILCOM 2008 Conference.San Diego: IEEE, 2008.

[2]Chen XJ,et al.Analysis on forgery pattern for GPS civil spoofing signals[C]∥2009 Fourth International Conference on Computer Sciences and Convergence Information Technology(2009 IEEE),2009.

[3]Todd EH,et al.Assessing the spoofing threat[J].GPS World,2009,1:28-39.

[4]Wesson KD,Shepard DP,et al.An evaluation of the vestigial signal defense for civil GPS anti-spoofing[C]∥2011 ION GNSS Conference.Portland,OR,USA: ION, 2011.

[5]Cavaleri A,Motella B,Pini M,et al.Detection of spoofed GPS signals at code and carrier tracking level[C]∥ 5thESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signal and Signal Processing, 2010.

[6]單童.深組合系統中慣性輔助GPS基帶技術研究[D].南京：南京理工大學，2014.

Research on the GNSS anti-spoofing for signal acquisition

Dong Bin, Mo Jiawen, Tu Weijun, Zhu Weibo

(Hongdu Aviation Industry Group Corporation,Nanchang 330024,Jiangxi,China)

Spoofing signals with higher absolute power can be acquired by GNSS receivers.Acquired by the target receivers, spoofing signals then be tracked and derive inaccurate PVT information.Detecting and eliminating spoofing signals can reduce the anti-spoofing pressure in following processing.Coherent processing are considered to explain the acquisition while the receivers facing spoofing signals.The method of anti-spoofing techniques based on the low-high threshold setting and external aid are proposed,which can be design reference to anti-spoofing in civilian GNSS receiver.

GNSS;spoofing;signal acquisition;low-high threshold;external aid

2015-12-15；2016-02-28修回。

董斌(1979-)，男，高級工程師，主要從事制導、導航與控制研究。

TN973

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