基于軟件的GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)

戴偉昊，許 睿，劉建業(yè)，丁夢羽，祁 雅

(南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心，南京211106）

基于軟件的GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)

戴偉昊，許 睿，劉建業(yè)，丁夢羽，祁 雅

(南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心，南京211106）

根據(jù)軟件接收機與轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的基本理論，基于軟件設(shè)計了GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)，生成了單通道的真實、欺騙和混合信號，設(shè)置了不同的干信比和延時距離，并合成了多通道信號。通過仿真，分別在捕獲階段、跟蹤階段與定位結(jié)果階段驗證了該基于軟件的GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的正確性與可靠性。

軟件接收機；轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)；C/A碼；干信比

Abstract：According to the basic theory about software receiver and retransmitted spoofing system，GNSS retransmit?ted spoofing system is designed based on software，a single channel of the real，spoofing and mixed signal，different jam?ming to signal ratio and delay distance is set and multi?channel signals are compounded.Through simulation，respectively in the acquisition，tracking and locating results periods，it verifies the correctness and reliability of GNSS retransmitted spoofing system based on software.

Key words：software receiver;retransmitted spoofing system;C/A Code;jamming to signal ratio

0 引言

當前，欺騙式干擾日益成為軍事對抗中的主流，欺騙式干擾的特點在于信號的發(fā)射功率相對較小，并且絕大部分GPS接收機都沒有檢測欺騙攻擊的能力。欺騙式干擾可以將目標接收機牽引至指定的位置，且具有較強的隱蔽性，不容易被敵方的軍用設(shè)備所察覺，對軍用設(shè)備與人員的安全具有較大影響。對此，抗欺騙技術(shù)的研究迫在眉睫。抗欺騙研究不僅能有效地應(yīng)對現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子對抗的需要，提高我軍的軍事實力，還能提升我國的區(qū)域防御能力。為了更好地研究抗欺騙技術(shù)，需要使用欺騙信號模擬搭建一個轉(zhuǎn)發(fā)式的欺騙系統(tǒng)。該系統(tǒng)的搭建不僅可以為抗欺騙的研究提供數(shù)據(jù)支持，還可以對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的相關(guān)特性的理論分析提供依據(jù)。

欺騙式干擾分為生成式欺騙和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙。生成式欺騙實現(xiàn)比較復(fù)雜且搭建的成本較高，而轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙則以成本低廉和實現(xiàn)容易的特點受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)方面，王偉利用system?view仿真模擬了轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)，黃龍等提出了一種針對GNSS授時接收機的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾技術(shù)。目前，在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙里常用的轉(zhuǎn)發(fā)器通常影響范圍比較小，且對于各個通道的轉(zhuǎn)發(fā)延時距離是相同的，存在著一定的局限性。

本文在軟件接收機與轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)基本理論的基礎(chǔ)上，通過對軟件接收機里的捕獲跟蹤環(huán)節(jié)進行研究，設(shè)計一個基于軟件的GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)，實現(xiàn)GNSS欺騙信號模擬，即產(chǎn)生多通道合成的GNSS信號，且各通道時延與干信比強度可調(diào)，最后利用軟件接收機對仿真數(shù)據(jù)的正確性進行驗證。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的基本模型

在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號的干擾下，接收機接收到的不再是單一的真實信號，而是真實信號與欺騙信號的混合信號。因此，在欺騙式干擾下，接收機接收的信號模型可以表示為真實信號與欺騙信號的和：

式(1）中，Sau表示真實信號，Ssp表示欺騙信號，S表示混合信號。

其中，真實信號Sau是多顆衛(wèi)星信號的和信號。式(2）中，表示第i顆衛(wèi)星的真實信號。

則混合信號為真實信號與欺騙信號之和，即：

對于具體的信號，主要由數(shù)據(jù)碼、載波和C/A碼3個部分組成。信號的形式如式(5）、式(6）所示。

2 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的構(gòu)建

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的搭建需要至少4顆衛(wèi)星的信號提供相關(guān)信息，因此在設(shè)計過程分為3個步驟。首先完成對單通道信號的生成的研究，對每個通道都分別生成真實信號和帶有延時的欺騙信號；再通過調(diào)整幅值，來改變真實信號和欺騙信號的信號強度的大小關(guān)系，來生成不同干信比的混合信號；最后將每個通道的信號進行疊加，生成多通道的衛(wèi)星信號。圖1是構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的整體流程圖。

2.1 真實信號的復(fù)現(xiàn)

真實信號的復(fù)現(xiàn)是基于衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤的基本原理實現(xiàn)的。在捕獲階段，本地信號與接收機接收的GPS信號進行粗略對齊，這種對齊分為接收信號與本地C/A碼之間的粗略對齊、接收信號和本地載波的粗略對齊。在跟蹤階段，接收信號的C/A碼和本地C/A碼經(jīng)過閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋校正后完全對齊，此時碼跟蹤環(huán)路穩(wěn)定后的本地C/A碼與接收信號的C/A碼相同。同理，載波跟蹤環(huán)路穩(wěn)定后的本地載波就與接收信號中的載波相同。

因而，本文研究的欺騙系統(tǒng)的真實信號的復(fù)現(xiàn)就以跟蹤后得到的本地C/A碼作為真實信號的測距碼，以跟蹤后得到的本地載波信號作為真實信號的載波，以跟蹤后解擴的導(dǎo)航數(shù)據(jù)作為真實信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。真實信號的復(fù)現(xiàn)就可以用真實信號的載波乘以真實信號的C/A碼乘以真實信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)得到。將式(5）簡化得：

其中，Si(t）表示第i顆衛(wèi)星信號的真實復(fù)現(xiàn)，Ci(t）表示跟蹤環(huán)路中真實復(fù)現(xiàn)的C/A碼，Wi(t）表示跟蹤環(huán)路中真實復(fù)現(xiàn)的載波，Di(t）表示接收機接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過解調(diào)解擴之后得到的數(shù)據(jù)碼。

真實信號的復(fù)現(xiàn)一方面可以檢驗該欺騙系統(tǒng)的設(shè)計是否正確，另一方面可以成為混合信號的一個支路與加入延時的欺騙信號進行混合。

2.2 欺騙信號的產(chǎn)生

欺騙信號的產(chǎn)生與真實信號的復(fù)現(xiàn)的生成原理十分相近，區(qū)別在于，欺騙信號的產(chǎn)生需要在C/A碼上加上對應(yīng)的碼片延時。由捕獲跟蹤的基本原理可知，在C/A碼部分，接收機需要將本地復(fù)制的C/A碼與接收的衛(wèi)星C/A碼相對齊，需要移動的相移量對應(yīng)著信號從衛(wèi)星發(fā)出到被接收機天線接收所需要的時間，記為延遲時間τi。

而欺騙信號的生成需要在τi的基礎(chǔ)上，增加一個Δτi，這一新變量的引入，會使得第i顆衛(wèi)星的通道延時發(fā)生變化，最終影響多通道信號混合后的定位結(jié)果。下文給出衛(wèi)星的延遲距離和偏移的碼片數(shù)、采樣點數(shù)之間的關(guān)系。

由于一個C/A碼的周期是1ms，設(shè)一個C/A碼周期里包含有1023個碼片，每個C/A碼碼片的采樣點數(shù)(記為m）就等于采樣頻率除以C/A碼頻率，所以總偏移的采樣點數(shù)就等于偏移的碼片數(shù)乘以每個碼片上的采樣點數(shù)m，則總偏移的采樣點數(shù)(記為Δk）所對應(yīng)的時間就是 1/(1023×m）ms。而偏移距離等于偏移時間乘以光速c，如式(8）所示，這樣便可以根據(jù)用戶所設(shè)定的偏移距離，計算出所對應(yīng)的碼片的偏移采樣點數(shù)。

當然，由于C/A碼極強的自相關(guān)性，本地生成的C/A碼與接收的C/A碼必須在一個碼片的間隔內(nèi)，否則無法在捕獲環(huán)節(jié)完成相關(guān)運算。

跟蹤部分同樣使用的是超前滯后延遲鎖定環(huán)，本地的C/A碼生成器產(chǎn)生3個相差1/2碼片的超前、滯后、當前的本地復(fù)制碼。然后這3路的信號都與輸入信號進行第2次相乘得到3個相關(guān)的輸出結(jié)果，記為IP、IQ和IE。接著比較這3路結(jié)果和輸入信號，取出與輸入信號相關(guān)性最好的輸出結(jié)果，再進行調(diào)整，得到C/A碼的初始相位。

經(jīng)過鑒相器的調(diào)整后，將當前碼與載波、導(dǎo)航數(shù)據(jù)相乘，最終得到欺騙信號。

2.3 混合信號的產(chǎn)生

在生成了單通道的真實信號與欺騙信號之后，需要將真實信號與欺騙信號進行混合。在實際的欺騙式干擾下，目標接收機接收的信號并非僅有欺騙信號，真實信號也同時會被接收機采集，而兩者功率的此消彼長會影響目標接收機最終的定位性能，因此需要設(shè)置真實信號和欺騙信號的功率比。對此，可以通過改變干信比來調(diào)整真實信號與欺騙信號的比例關(guān)系。干信比指的是欺騙信號與真實信號的功率比，單位是dB。由于信號的功率與幅值的平方成正比，設(shè)置干信比的方法可以從改變欺騙信號與真實信號的幅值入手。關(guān)于干信比與幅值的關(guān)系，推導(dǎo)如下。

可以將混合信號記為S，真實信號記為S1，欺騙信號記為S2，真實信號的增益為K1，欺騙信號記為K，則混合信號可以表示為：

令K1＝1，則干信比等于：

通過以上的推導(dǎo)，可以通過干信比與幅值的關(guān)系，通過對每個通道的信號的干信比進行設(shè)置，轉(zhuǎn)化為對欺騙信號和真實信號的幅值進行設(shè)置，這樣便可以通過改變信號的幅值來改變整個欺騙系統(tǒng)的設(shè)置。

圖2是單通道軟件欺騙系統(tǒng)處理流程圖。

如圖2所示，經(jīng)過解調(diào)和解擴后的單通道衛(wèi)星信號，一方面將得到的載波、C/A碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)直接復(fù)現(xiàn)成真實信號；另一方面，將解擴后得到C/A碼經(jīng)過相應(yīng)的延時處理后，再與載波和導(dǎo)航數(shù)據(jù)一起生成欺騙信號，混合信號則等于真實信號與欺騙信號按一定干信比的比例相加之和。

軟件接收機處理的采樣點數(shù)非常多，很難一次性得到整個混合信號的數(shù)據(jù)，因此必須對欺騙系統(tǒng)的生成進行分段處理。采用的做法是每隔1ms讀取一次真實信號與混合信號的數(shù)據(jù)，然后按照式(3）的方法生成混合信號，接著繼續(xù)循環(huán)，直到生成所需要長度的混合信號。具體的混合信號生成流程圖如圖3所示。

圖2 單通道軟件欺騙系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of single channel software

圖3 混合信號生成流程圖Fig.3 Flow chart of mixed signal generation spoofing system

2.4 多通道信號的生成

多通道信號的生成，需要基于單通道的真實信號、欺騙信號與混合信號已經(jīng)生成的基礎(chǔ)。具體的多通道合成信號的示意圖如圖4所示。生成的欺騙信號要進行定位，至少需要4顆衛(wèi)星信號才能解算出經(jīng)緯高與鐘差，所以需要有4個通道的信號進行合成，圖4反映了4個單通道的信號S1、S2、S3和S4合成多通道信號的示意圖。當然實際應(yīng)用中，合成多通道衛(wèi)星個數(shù)可以大于4顆。

圖4 多通道信號合成示意圖Fig.4 Schematic diagram of the synthesis of multi?channel signals

由圖4的原理所示，不僅可以合成多通道的混合信號，還可以合成多通道的真實信號與多通道的欺騙信號。在多通道信號合成時，必須對每個通道信號的數(shù)據(jù)進行對齊。因為在軟件接收機中，為提高處理速度，每個通道的跟蹤環(huán)路每次處理的數(shù)據(jù)均為一個從0碼片至1022碼片的整C/A碼周期，即按各衛(wèi)星信號的衛(wèi)星鐘時間處理；而在信號混合時，需要將這些信號按統(tǒng)一的時鐘(接收機鐘）合成，因而需要對每個通道的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，使它們從同一個時刻開始處理。

補齊后的信號在合成多通道信號的時候，依然需要仿照圖3所示的流程圖，以1ms為處理單元生成多通道信號，循環(huán)處理，直到得到需要的長度。

3 仿真驗證

仿真實驗中所使用的原始GPS數(shù)據(jù)包含PRN為9、15、18、21這4顆衛(wèi)星信號，不考慮其他誤差影響，其定位結(jié)果認為是接收機真實位置。利用本文所提的欺騙模擬器，產(chǎn)生一組2min時長的欺騙干擾數(shù)據(jù)。其中，PRN為9、15、18和21時，偽距延時分別增加80m、90m、200m和100m，且干信比均為－6dB。根據(jù)該偏移量獲得的定位結(jié)果認為理論欺騙位置。利用軟件接收機，分析比較原始數(shù)據(jù)與欺騙式干擾數(shù)據(jù)的捕獲、跟蹤與定位結(jié)果，以驗證本文所提欺騙系統(tǒng)仿真器的正確性。

3.1 信號捕獲

圖5為軟件接收機針對原始信號與模擬的欺騙干擾信號的捕獲結(jié)果圖。可以看出，由于欺騙系統(tǒng)并不改變可見衛(wèi)星情況，因此針對兩種數(shù)據(jù)，接收機捕獲的衛(wèi)星的數(shù)量以及對應(yīng)的衛(wèi)星PRN值完全相同，均是PRN為9、15、18和22的衛(wèi)星。

圖5 原始信號與生成的混合信號的捕獲結(jié)果圖Fig.5 Acquisition results of original signal and generated mixed signal

從圖5中也可以發(fā)現(xiàn)生成的信號與原始信號的捕獲度量值不同，該值與信號的信噪比相關(guān)，而該值變化主要是由于生成的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的噪聲環(huán)境不同，生成的數(shù)據(jù)中的噪聲比較少，因此捕獲度量值整體高于原始信號。

3.2 跟蹤部分

在跟蹤階段，可以通過自相關(guān)曲線進行分析，根據(jù)自相關(guān)的形狀來判斷是否生成了欺騙信號和真實信號。圖6(a）是標準的碼跟蹤相關(guān)曲線，可以看出，在延遲的碼片值等于0時，歸一化相關(guān)值為1，形狀為三角形。

而一旦相關(guān)器同時接收到了欺騙信號和真實信號，碼跟蹤的相關(guān)曲線就會呈現(xiàn)一個平頂?shù)男螤睿蚴钦鎸嵭盘柵c欺騙信號進行了疊加，兩個三角形的圖像由于碼相位不完全重合，疊加形成了一段平頂?shù)膱D像。由圖6(b）可以看出，歸一化的碼跟蹤相關(guān)曲線有一個平頂，可見欺騙信號和真實信號同時被跟蹤上，基本驗證跟蹤階段是成功的。

圖6 標準和生成數(shù)據(jù)的碼跟蹤相關(guān)曲線Fig.6 Code tracking correlation curve of standard and generated data

3.3 定位結(jié)果部分

在定位結(jié)算階段，可以將在經(jīng)度、緯度、高度3個方向的坐標轉(zhuǎn)化為以用戶設(shè)定的位置為原點的E、N、U(東北天坐標系）下的距離變化情況。通過觀察真實信號在欺騙信號干擾下的變化情況，判斷轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙在3個方向的欺騙效果，如圖7所示。東方向的真實信號與欺騙信號的變化距離為100m，混合信號的位置在真實信號與欺騙信號的位置之間，且更接近于真實信號的位置；北方向的真實信號與欺騙信號的變化距離為80m，混合信號的位置在真實信號與欺騙信號的位置之間，且更接近于真實信號的位置；東方向的真實信號與欺騙信號的變化距離為150m，混合信號的位置同樣在真實信號與欺騙信號的位置之間，且更接近于真實信號的位置。由于天方向的誤差比較大，精度相對比較低，基本滿足了要求。

圖7 真實位置、欺騙位置與欺騙干擾結(jié)果Fig.7 Positioning results of true location，spoofing location，and mixed location

4 結(jié)論

本文提出了基于軟件的GNSS轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，并通過仿真分析了在捕獲、跟蹤和定位階段的性能。仿真結(jié)果表明，此欺騙系統(tǒng)具有較好的準確性和可靠性。

后續(xù)擬將分析研究擴展到FPGA或者DSP上進行，以達到更好的欺騙效果，滿足各種場景下的GNSS欺騙干擾的應(yīng)用。

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A Software Approach to Realization of the Retransmitted GNSS?spoofing Simulator

DAI Wei?hao,XU Rui,LIU Jian?ye,DING Meng?yu,QI Ya
(Navigation Research Center，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106）

U666.1

A

1674?5558(2017）01?01368

10.3969/j.issn.1674?5558.2017.05.001

2017?01?16

國家自然科學(xué)基金青年基金(編號：61603181）

戴偉昊，男，碩士，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)，研究方向為GPS干擾與軟件接收機。