衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙及檢測(cè)（二）：基于接收機(jī)改進(jìn)的欺騙檢測(cè)

張倫東，張 超，高揚(yáng)駿

（信息工程大學(xué)，鄭州 450001）

0 引言

導(dǎo)航欺騙的主要目的是使目標(biāo)接收機(jī)在不知情的情況下得到虛假的速度、位置或時(shí)間等導(dǎo)航信息，如果能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙，則可打破敵方的第一企圖[1]。在過(guò)去的十幾年里，很多學(xué)者對(duì)導(dǎo)航欺騙檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了多種多樣的檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了歸納，將其分為導(dǎo)航信號(hào)加密、使用附加信號(hào)特性的高級(jí)接收機(jī)自主完好性檢測(cè)、添加導(dǎo)航消息認(rèn)證位，以及利用欺騙信號(hào)和真實(shí)信號(hào)在空間幾何上的差異等4 類。導(dǎo)航欺騙是基于對(duì)導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)的了解，生成或轉(zhuǎn)發(fā)虛假的欺騙信號(hào)，對(duì)目標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行欺騙。如果能夠?qū)πl(wèi)星發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行加密或者提供消息位認(rèn)證，則在源頭上可以很大程度阻止或檢測(cè)出欺騙行為。此外，欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)在特征上總會(huì)有差別，可以根據(jù)不同的特征，在接收機(jī)端進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。另外，在導(dǎo)航結(jié)果方面，由于接收機(jī)的導(dǎo)航結(jié)果是虛假的，如果有其他輔助導(dǎo)航手段，則它們之間肯定不一致，因此也可采用其他輔助手段進(jìn)行欺騙檢測(cè)。

本文主要介紹導(dǎo)航信號(hào)加密認(rèn)證和基于信號(hào)特征的欺騙檢測(cè)技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，包括擴(kuò)頻碼加密、導(dǎo)航消息身份驗(yàn)證，以及基于信號(hào)功率、多普勒頻移一致性檢查、信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、信號(hào)空間處理等技術(shù)，最后對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和探討。由于這些技術(shù)都需要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行硬件或軟件方面的改進(jìn)，才能有效地對(duì)導(dǎo)航欺騙進(jìn)行檢測(cè)，所以本文將其統(tǒng)一稱為基于接收機(jī)改進(jìn)的欺騙檢測(cè)。

1 基于導(dǎo)航信號(hào)加密認(rèn)證的欺騙檢測(cè)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

這類技術(shù)，一種是類似于軍用信號(hào)，對(duì)民用信號(hào)也進(jìn)行擴(kuò)頻碼加密，這樣一方面可以使欺騙實(shí)施起來(lái)非常困難，另一方面只要密鑰不被破解，也可對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)；另一種是在導(dǎo)航消息中添加驗(yàn)證位，只有驗(yàn)證碼正確的才能提供服務(wù)；此外，二者也可結(jié)合，使欺騙實(shí)施更加困難。

1.1 擴(kuò)頻碼加密

擴(kuò)頻碼加密是采用密碼技術(shù)，在衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)上調(diào)制一個(gè)加密的安全碼（稱為密鑰）。衛(wèi)星端和接收機(jī)端都有密鑰的副本，可以用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，這種技術(shù)多用于軍事用途；然而，為了阻止欺騙攻擊，有學(xué)者也將其應(yīng)用于民用信號(hào)[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于短周期信息隱藏的延遲對(duì)稱密鑰加密方法，該方法使用短序列擴(kuò)頻安全碼修改導(dǎo)航信號(hào)，接收機(jī)使用已知部分來(lái)跟蹤信號(hào)，對(duì)未知部分進(jìn)行記錄。密鑰在延遲后傳輸，用于合成未知的擴(kuò)頻碼，接收機(jī)將該碼部分與記錄的信號(hào)部分相關(guān)聯(lián)，以驗(yàn)證信號(hào)的真實(shí)性，檢測(cè)和阻止欺騙。但是，這種方法需要等待密鑰，可能會(huì)有幾秒到幾分鐘的延遲。文獻(xiàn)[5]提出了一種利用超音速碼加密民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）信號(hào)的新方案，該方案將超音速碼與擴(kuò)頻碼的分組密碼加密相結(jié)合，使用碼移鍵控調(diào)制解調(diào)接收機(jī)處的加密擴(kuò)頻碼。結(jié)果表明，采用超音速碼的民用信號(hào)具有較好的抗欺騙性能和較低的認(rèn)證延遲。為了檢測(cè)欺騙，接收機(jī)需要密鑰信息，為了不將密鑰分發(fā)給民用接收機(jī)，文獻(xiàn)[6]提出利用開放服務(wù)的民用擴(kuò)頻碼與加密的軍碼之間的正交關(guān)系，民用接收機(jī)記錄加密代碼的噪聲基帶版本，已知是安全的參考接收機(jī)通過(guò)通信鏈路將加密代碼傳輸給民用接收機(jī)，然后進(jìn)行交叉相關(guān)。如果相關(guān)峰值很高，則聲明信號(hào)是真實(shí)的；否則，將發(fā)出欺騙警報(bào)。邊少峰教授[1]稱其為無(wú)碼相關(guān)技術(shù)，這種技術(shù)無(wú)須改變現(xiàn)有的信號(hào)體制，但其前提是欺騙信號(hào)只對(duì)民用信號(hào)實(shí)施攻擊，并且參考接收機(jī)安全可靠。可見(jiàn)，這些方法，要么需要改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)協(xié)議，要么需要通信網(wǎng)絡(luò)和安全的接收機(jī)，另外還需要配套的接收機(jī)或?qū)邮諜C(jī)進(jìn)行修改，因此擴(kuò)頻碼加密主要在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用，或者在新的服務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，在大眾領(lǐng)域還很難做到大規(guī)模的應(yīng)用。

1.2 導(dǎo)航消息身份驗(yàn)證

在導(dǎo)航信息中，使用加密算法周期性地嵌入數(shù)字簽名或?qū)Ш津?yàn)證碼，接收機(jī)使用解密算法解密認(rèn)證信息，驗(yàn)證導(dǎo)航信息的真實(shí)性，進(jìn)而可以抵抗欺騙攻擊或?qū)ζ垓_進(jìn)行檢測(cè)，這種方式稱為導(dǎo)航消息身份驗(yàn)證[7]。為了安全可靠，可對(duì)整個(gè)導(dǎo)航消息都進(jìn)行加密，但這需要更改導(dǎo)航信號(hào)的接口規(guī)范，給應(yīng)用帶來(lái)了很大困難，很難進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[8]。文獻(xiàn)[9]等指出，對(duì)于導(dǎo)航消息身份認(rèn)證來(lái)說(shuō)，如果只對(duì)認(rèn)證的接收機(jī)提供額外的安全性收費(fèi)，而不影響未經(jīng)認(rèn)證的接收機(jī)讀取導(dǎo)航消息，這樣比較切合實(shí)際應(yīng)用。想要不影響未經(jīng)認(rèn)證的接收機(jī)，則加密的導(dǎo)航消息比例必須相對(duì)較小，一般不應(yīng)超過(guò)10%。另外，對(duì)簽名進(jìn)行解密不應(yīng)給接收機(jī)來(lái)帶太大的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，為了阻止重放攻擊，接收機(jī)每5 min 左右的時(shí)間需要進(jìn)行1 次身份驗(yàn)證，因此，數(shù)字簽名不應(yīng)太長(zhǎng)，建議使用橢圓曲線簽名算法，在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙場(chǎng)景下，在虛警概率為0.1%的情況下，能夠檢測(cè)出欺騙的概率大于97%。針對(duì)日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system,QZSS）信號(hào)，文獻(xiàn)[10]提出使用導(dǎo)航消息的一部分生成參考認(rèn)證導(dǎo)航數(shù)據(jù)，采用基于H 矩陣的低密度奇偶校驗(yàn)（low density parity check,LDPC）編碼對(duì)參考認(rèn)證導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)一步編碼，生成簽名數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行廣播。接收機(jī)根據(jù)參考認(rèn)證導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信息，從認(rèn)證數(shù)據(jù)中心獲取相應(yīng)的H矩陣等數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，這種簽名數(shù)據(jù)每6 s 至少?gòu)V播1 次，縮短了響應(yīng)時(shí)間。文獻(xiàn)[11]針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號(hào)（BeiDou navigation satellite (regional) system,BDS-2）導(dǎo)航信息的認(rèn)證，提出利用橢圓曲線數(shù)字簽名算法生成數(shù)字簽名，并插入到BDS-2 導(dǎo)航信息的預(yù)留位中，通過(guò)短消息服務(wù)或數(shù)字證書設(shè)計(jì)了密鑰交換過(guò)程。仿真結(jié)果表明，該方案能夠在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)BDS-2 導(dǎo)航信息的認(rèn)證，增強(qiáng)了民用BDS-2的抗欺騙能力。

擴(kuò)頻碼加密和導(dǎo)航消息身份認(rèn)證都能在一定程度上抵抗或檢測(cè)欺騙，也可將二者結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。如文獻(xiàn)[12]提出一種基于BDS-2衛(wèi)星導(dǎo)航報(bào)文的反欺騙方法，該方法使用分組密碼算法（SM4）來(lái)加密驗(yàn)證消息，用非對(duì)稱加密算法（SM2）和密碼雜湊算法（SM3）生成簽名。同時(shí)，利用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)將其隱藏在導(dǎo)航信息中。結(jié)果表明：該方案可以成功地檢測(cè)到“單星欺騙攻擊”，并且加密驗(yàn)證時(shí)間對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行沒(méi)有太大影響。

大多數(shù)導(dǎo)航信號(hào)加密認(rèn)證都需要對(duì)導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些修改，或者對(duì)接收機(jī)進(jìn)行一定的改進(jìn)，所以這種方法一般在特定服務(wù)或增值服務(wù)中應(yīng)用，并沒(méi)有在大眾應(yīng)用中推廣。

2 基于信號(hào)特征的欺騙檢測(cè)研究動(dòng)態(tài)

在計(jì)算導(dǎo)航結(jié)果之前，接收機(jī)需要對(duì)天線接收的信號(hào)進(jìn)行放大，下變頻，通過(guò)自動(dòng)增益控制調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，再經(jīng)歷數(shù)字變換，利用本地碼和計(jì)算出的多普勒頻移分離各個(gè)衛(wèi)星信號(hào)等一系列操作[13]。欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)在某些特征上總會(huì)有所區(qū)別，在接收機(jī)對(duì)信號(hào)處理的過(guò)程中，可以基于這些不同的特征對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而抑制或消除欺騙信號(hào)。

2.1 基于信號(hào)功率的欺騙檢測(cè)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)傳播到地面時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度已十分微弱，如全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）L1的信號(hào)強(qiáng)度在-160～-153 dB·W 之間合理變化。為了讓接收機(jī)鎖定到欺騙信號(hào)上，欺騙信號(hào)的功率要略高于真實(shí)信號(hào)的功率。由于欺騙器與目標(biāo)接收機(jī)之間的路徑損耗較難估計(jì)，欺騙器一般都會(huì)發(fā)射相對(duì)較大的功率。如果接收機(jī)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)絕對(duì)接收功率，則可有效檢測(cè)出欺騙，這種方法稱為絕對(duì)功率監(jiān)測(cè)[14]。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為雖然使用絕對(duì)功率可以顯著降低接收機(jī)的欺騙漏洞，但這種方法要求接收機(jī)能夠在一定精度水平內(nèi)測(cè)量接收信號(hào)的絕對(duì)幅度，會(huì)增加接收機(jī)的硬件復(fù)雜度。文獻(xiàn)[16]指出由自動(dòng)增益控制（automatic gain control,AGC）器提供原始接收功率，是一種可靠的欺騙檢測(cè)方法。但是，除非是在AGC 控制器中檢測(cè)到接收功率的變化[17]，否則AGC 也可能會(huì)改變接收功率[13]。另外，導(dǎo)航信號(hào)的功率變化范圍較大，特別是在特殊情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)還會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率增強(qiáng)，這給絕對(duì)功率檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。因此這種技術(shù)多與其他技術(shù)一起使用[17]。

多數(shù)接收機(jī)會(huì)采用載噪比C/N0作為評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)接收機(jī)受到欺騙時(shí)，載噪比可能會(huì)發(fā)生突然的變化，因此接收機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載噪比，尋找欺騙攻擊的異常變化[18-20]。接收的信號(hào)功率與信號(hào)在空間的傳播距離有關(guān)。對(duì)于真實(shí)的導(dǎo)航信號(hào)，由于都來(lái)自2 萬(wàn)多千米高空的衛(wèi)星，接收的C/N0不會(huì)發(fā)生顯著變化。如果欺騙信號(hào)從同一個(gè)天線發(fā)射，也可采用目標(biāo)接收機(jī)天線相對(duì)欺騙發(fā)射天線移動(dòng)，當(dāng)二者相距較近時(shí)，比較小的相對(duì)移動(dòng)都會(huì)使C/N0發(fā)生顯著變化[14]。但是文獻(xiàn)[21]認(rèn)為如果一個(gè)欺騙信號(hào)被解擴(kuò)，其相應(yīng)的C/N0測(cè)量值將在正常的范圍內(nèi)，這樣可有效地誤導(dǎo)基于C/N0監(jiān)控的欺騙檢測(cè)技術(shù)。也就是說(shuō)如果接收機(jī)能夠鎖定欺騙信號(hào)，此時(shí)C/N0值是正常的，否則欺騙就不會(huì)成功實(shí)施，因此他認(rèn)為這種檢測(cè)方法的有效性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2.2 基于多普勒頻移等一致性檢查的欺騙檢測(cè)

接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生多普勒頻移。可根據(jù)接收機(jī)的高度和速度估計(jì)多普勒頻移的變化[22]。如果接收機(jī)遇到欺騙攻擊，則多普勒頻移的變化會(huì)發(fā)生異常，所以可以根據(jù)多普勒頻移的歷史數(shù)據(jù)對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)[23-24]。但是，文獻(xiàn)[25]指出基于多普勒頻移檢測(cè)欺騙攻擊的閾值并不容易確定，這是因?yàn)殚撝挡粌H與接收機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，還與欺騙環(huán)境有關(guān)。

由于都受到接收機(jī)和衛(wèi)星之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，在真實(shí)信號(hào)下，多普勒頻率和碼延遲率是一致的。簡(jiǎn)單的欺騙器可能無(wú)法保持二者之間的一致性[14]，所以可以通過(guò)檢測(cè)二者的一致性來(lái)對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[26]指出，即使復(fù)雜的欺騙器也需要定期對(duì)多普勒頻率進(jìn)行控制，這必然會(huì)留下相關(guān)的記錄，可以用來(lái)檢測(cè)欺騙攻擊。

此外，每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信息中都含有與其他衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的星歷信息，可以檢查這些星歷數(shù)據(jù)之間的一致性，如果不一致則可能會(huì)存在欺騙攻擊[14]。每個(gè)隨機(jī)碼信號(hào)的導(dǎo)航信息中也都包含時(shí)鐘信息，從整個(gè)星座中不同衛(wèi)星獲得的時(shí)鐘應(yīng)該一致，如果提取的時(shí)鐘不一致，也可檢測(cè)出欺騙[27-28]。

2.3 基于信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的欺騙檢測(cè)

信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)（signal quality monitoring,SQM）方法利用監(jiān)測(cè)相關(guān)器來(lái)識(shí)別跟蹤輸出相關(guān)峰包絡(luò)的異常尖銳、平坦或不對(duì)稱[29-30]，可檢測(cè)GNSS 信號(hào)中的失真和異常，此方法已成功應(yīng)用于多路徑信號(hào)的監(jiān)測(cè)[31-32]。欺騙信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響與多路徑信號(hào)類似，因此，在無(wú)多徑或多徑比較弱的環(huán)境中，可以采用SQM的方法對(duì)欺騙攻擊進(jìn)行檢測(cè)[33-34]。

在基于SQM的欺騙檢測(cè)中，通常采用斜率（ratio）和增量（delta）指標(biāo)監(jiān)視信號(hào)相關(guān)峰可能的失真和異常。文獻(xiàn)[35]深入分析了斜率測(cè)試的性能，提出了一種用于評(píng)估虛警和檢測(cè)概率的數(shù)學(xué)模型，在開闊環(huán)境中，能夠有效檢測(cè)出導(dǎo)航欺騙。文獻(xiàn)[36-37]除了采用斜率指標(biāo)外，還采用了增量用于檢測(cè)導(dǎo)航欺騙，進(jìn)而提高欺騙的檢測(cè)效果。斜率指標(biāo)描述了相關(guān)峰的扭曲；增量指標(biāo)描述了相關(guān)峰的非對(duì)稱性；此外，為了進(jìn)一步細(xì)化，還可采用雙差指標(biāo)[36]。這些指標(biāo)在理論和實(shí)踐上都非常簡(jiǎn)單，為了克服單一指標(biāo)的不足，可以將多個(gè)指標(biāo)聯(lián)合使用。文獻(xiàn)[38]提出了多個(gè)SQM 指標(biāo)進(jìn)行欺騙檢測(cè)的方法，并根據(jù)這些指標(biāo)計(jì)算了適當(dāng)?shù)臋z測(cè)閾值，但是，檢測(cè)閾值會(huì)隨欺騙環(huán)境的變化而改變。文獻(xiàn)[39]研究了多尺度聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，將各種SQM 指標(biāo)組合成一個(gè)復(fù)合指標(biāo)來(lái)檢測(cè)欺騙攻擊。文獻(xiàn)[40]建立了新的信號(hào)質(zhì)量評(píng)估模型，該模型基于欺騙信號(hào)和真實(shí)信號(hào)的總信號(hào)能量測(cè)量，并且模型不依賴于用戶接收機(jī)的移動(dòng)，也不依賴于所有欺騙信號(hào)都應(yīng)該來(lái)自同一個(gè)發(fā)射天線的假設(shè)，簡(jiǎn)單有效。但是，多徑信號(hào)的影響會(huì)使該方法的檢測(cè)性能下降。

SQM 技術(shù)是檢測(cè)欺騙攻擊的有力手段，特別是在視線傳播環(huán)境中，可以在跟蹤段識(shí)別欺騙攻擊。然而，存在多徑的情況下，該方法檢測(cè)性能有所下降。針對(duì)多徑環(huán)境下欺騙檢測(cè)性能下降的問(wèn)題，文獻(xiàn)[41]等提出了一種基于多相關(guān)器的斜率檢測(cè)方法，利用內(nèi)曼-皮爾遜（Neyman-Pearso）準(zhǔn)則合理確定檢測(cè)門限進(jìn)行解決。欺騙信號(hào)與多徑的影響相似，如果不加以細(xì)分，二者很難區(qū)分。但是欺騙和多徑對(duì)導(dǎo)航的完好性和可靠性的影響不同，所采取的對(duì)策也不同，應(yīng)該區(qū)分欺騙和多徑信號(hào)。雖然欺騙信號(hào)和多徑對(duì)真實(shí)信號(hào)的影響相似，但是欺騙和多徑對(duì)真實(shí)信號(hào)影響的早晚和快慢不同。文獻(xiàn)[42]根據(jù)這種不同，通過(guò)比較不同的欺騙和多路徑的情況，提出了一種寬間隔監(jiān)控相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)而區(qū)分欺騙信號(hào)和多徑信號(hào)。文獻(xiàn)[43]等提出了一種利用不同指標(biāo)組合來(lái)檢測(cè)欺騙信號(hào)并將其與多徑信號(hào)區(qū)分開來(lái)的欺騙檢測(cè)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用方差分析等預(yù)解擴(kuò)欺騙檢測(cè)方法對(duì)多徑傳播不敏感，可以與解擴(kuò)后的檢測(cè)方法結(jié)合，正確檢測(cè)出欺騙信號(hào)。

SQM 欺騙檢測(cè)一般都是在欺騙成功實(shí)施后，通過(guò)相關(guān)統(tǒng)計(jì)值來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。但是，在欺騙的起始階段，真實(shí)信號(hào)和欺騙信號(hào)之間是時(shí)變的，從而造成相關(guān)指標(biāo)顯著振蕩，采用傳統(tǒng)的SQM 方法進(jìn)行欺騙檢測(cè)則會(huì)帶來(lái)不可接受的高虛警率。但是這些指標(biāo)的振蕩，使其方差在一段時(shí)間內(nèi)比較大，基于此，文獻(xiàn)[44]選擇導(dǎo)航信息質(zhì)量指標(biāo)的移動(dòng)方差作為新的指標(biāo)來(lái)檢測(cè)欺騙，并利用公開測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法獲得了更高的檢測(cè)率。

2.4 基于空間處理的欺騙檢測(cè)

由于各種各樣的限制，使用多個(gè)天線發(fā)射同步信號(hào)非常困難，導(dǎo)航欺騙通常都是從同一個(gè)天線發(fā)射多個(gè)欺騙信號(hào)，也就是說(shuō)欺騙信號(hào)基本上來(lái)自于同一個(gè)方向，而真實(shí)信號(hào)則來(lái)自整個(gè)半球的不同方向。因此，可以使用多天線接收機(jī)或移動(dòng)天線接收機(jī)，利用空間處理技術(shù)估計(jì)所有接收信號(hào)的空間特征[45]，識(shí)別相同到達(dá)方向的多個(gè)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)和緩解。

天線陣的方位角和仰角是波達(dá)方向的非線性相位延遲函數(shù)，相位延遲估計(jì)誤差和波達(dá)方向估計(jì)誤差之間的關(guān)系取決于信號(hào)源和接收天線之間的相對(duì)方位；因此，對(duì)于欺騙檢測(cè)，比較相位延遲比比較實(shí)際波達(dá)方向更可靠[46]。文獻(xiàn)[47]提出可以通過(guò)2 個(gè)固定天線之間的相位差對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)。在天線陣方位和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡已知的情況下，可以計(jì)算出理論相位差，與實(shí)際測(cè)量的相位差進(jìn)行比較，可以進(jìn)行欺騙檢測(cè)。但是，該算法需要對(duì)天線陣列方向進(jìn)行校準(zhǔn)，并且需要約1 h的時(shí)間才能識(shí)別欺騙信號(hào)，實(shí)用性較差。文獻(xiàn)[48]在一次國(guó)際海事測(cè)量中，采用共形七元天線陣，使用在線校準(zhǔn)方案校正信道差異，可以對(duì)包括欺騙在內(nèi)的多種干擾信號(hào)的到達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。可見(jiàn)，采用多天線陣，利用包含信號(hào)到達(dá)方向的載波相位差分，可以有效檢測(cè)單一方向的欺騙。但是這種方法需要知道天線的姿態(tài)，特別是對(duì)于車輛、飛機(jī)等動(dòng)態(tài)載體，確定天線陣的姿態(tài)更不容易。為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[49-50]提出了一種聯(lián)合欺騙檢測(cè)和天線陣姿態(tài)確定的方法，在姿態(tài)確定過(guò)程中，可以檢測(cè)到達(dá)方向不一致的GNSS 信號(hào)。文獻(xiàn)[51]研究發(fā)現(xiàn)，在單一方向欺騙的情況下，所有信道的載波相位單差相同，采用載波相位單差可很快檢測(cè)出欺騙攻擊；并利用從摩納哥到威尼斯的游艇進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明僅用6 s 就可檢測(cè)出欺騙攻擊。

波達(dá)方向解算中的模糊度高度依賴于天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和陣元的特性。文獻(xiàn)[52]證明了要想使導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)角進(jìn)行無(wú)模糊度解算，必須至少采用3 個(gè)非共線的天線。為了減少欺騙信號(hào)識(shí)別的初始時(shí)間，文獻(xiàn)[53]提出了一種利用多個(gè)接收機(jī)獲得的基線向量差范數(shù)識(shí)別欺騙信號(hào)的新方法。該方法首先同時(shí)跟蹤真實(shí)和欺騙信號(hào)，并將其分為2 個(gè)信號(hào)組，然后，根據(jù)分類信號(hào)組的雙差載波相位測(cè)量值生成基線向量，并計(jì)算基線向量差范數(shù)，利用基線向量差范數(shù)建立假設(shè)，進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)以識(shí)別欺騙信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在短基線條件下能有效地進(jìn)行欺騙識(shí)別，具有很低的故障檢測(cè)概率和快速的響應(yīng)時(shí)間。除載波相位雙差外，2 個(gè)接收機(jī)間的偽距雙差也可有效檢測(cè)欺騙。文獻(xiàn)[54]對(duì)這一方法進(jìn)行了深入研究，利用接收機(jī)間的偽距雙差測(cè)量值與預(yù)期的估計(jì)值之間的差異來(lái)識(shí)別欺騙信號(hào)；但是為了估計(jì)期望的偽距雙差，還需要估計(jì)系統(tǒng)的姿態(tài)。在真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航中，信號(hào)與導(dǎo)航信息之間存在一致性，基于此，文獻(xiàn)[55]等提出了一種新的基于一致性的雙天線欺騙檢測(cè)方法。該方法的實(shí)質(zhì)是從載波相位觀測(cè)和導(dǎo)航信息中精確估計(jì)一對(duì)固定天線的到達(dá)頻率差：無(wú)欺騙時(shí)，觀測(cè)結(jié)果應(yīng)與預(yù)測(cè)一致；當(dāng)這種一致性被破壞時(shí)，可能會(huì)存在欺騙。由于該方法不作任何關(guān)于欺騙的假設(shè)，因此從理論上可以檢測(cè)出移動(dòng)的欺騙和多天線欺騙。文獻(xiàn)[56]提出了一種基于多個(gè)接收機(jī)的欺騙檢測(cè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該方法在一塊剛體平臺(tái)上安裝相對(duì)位置已知的多個(gè)接收機(jī)，通過(guò)執(zhí)行觀測(cè)距離測(cè)量集與衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接收星座幾何結(jié)構(gòu)的已知信息之間的一致性檢查對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)。這種方法可以檢測(cè)多個(gè)欺騙源，并且接收機(jī)的數(shù)量增加可使攻擊更容易被發(fā)現(xiàn)。

利用多天線陣列，不但可以檢測(cè)欺騙攻擊，還可削弱或消除欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)[57]利用波束形成去除來(lái)自同一方向的干擾，保留來(lái)自GNSS 衛(wèi)星的未失真信號(hào)，使接收機(jī)在欺騙的情況下鎖定真實(shí)信號(hào)。文獻(xiàn)[58]提出了一種在多徑環(huán)境下使用天線陣列進(jìn)行抗欺騙的方法，該方法利用空間處理和時(shí)域處理方法估計(jì)欺騙信道系數(shù)——信道系數(shù)含有入射信號(hào)的空間信息，根據(jù)該系數(shù)可以設(shè)置零陷使欺騙信號(hào)及多徑信號(hào)無(wú)效。由于該方法在解擴(kuò)前執(zhí)行，因而顯著降低了處理復(fù)雜度，且不需要對(duì)陣列校準(zhǔn)[59]。這種方法不但可以對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)，還可以在欺騙的情況下使用衛(wèi)星導(dǎo)航，具有重要的應(yīng)用前景。但是，該方法的前提是欺騙信號(hào)來(lái)自同一個(gè)方向，所以很難應(yīng)用于多天線欺騙的場(chǎng)景。采用多單元陣列天線同樣可以對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)和消除[14,60]，采用這種天線可以將不同的相關(guān)器輸出的相位測(cè)量值相互比較，區(qū)分從同一空間扇區(qū)接收到的相位測(cè)量值，進(jìn)而檢測(cè)出欺騙信號(hào)，并且不需要任何陣列校準(zhǔn)或陣列定向信息。

采用多天線陣或多陣元天線，利用空間處理技術(shù)，不但可以有效檢測(cè)出欺騙，而且還可抑制欺騙信號(hào)或消除欺騙對(duì)導(dǎo)航定位的影響，可以在有導(dǎo)航欺騙的情況下繼續(xù)使用衛(wèi)星導(dǎo)航，顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。很多學(xué)者致力于此方面的研究[61-65]。但是多天線陣或多陣元天線尚有局限：一是增加了接收機(jī)的硬件復(fù)雜度，信號(hào)處理起來(lái)也比較復(fù)雜；二是多天線占用的空間比較大，很多應(yīng)用很難滿足空間要求；三是多陣元天線有一定的技術(shù)難度，價(jià)格比較貴，大多在軍事上應(yīng)用。

為了克服多天線陣或多陣元天線的應(yīng)用限制，文獻(xiàn)[66]提出了一種合成天線陣的欺騙檢測(cè)方法，該方法仍采用單天線，不同的是天線在空間上移動(dòng)，形成合成天線陣列結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以有效檢測(cè)欺騙攻擊。文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)采集中，天線進(jìn)行任意移動(dòng)、圓周（半徑小于1.5 m）、隨機(jī)行走、恒定線速度和完全未知的運(yùn)動(dòng)[15]，結(jié)果表明與欺騙信號(hào)的幅度變化高度相關(guān)，真實(shí)信號(hào)則不存在這種相關(guān)性，證明了這些運(yùn)動(dòng)都可以有效檢測(cè)出欺騙攻擊。文獻(xiàn)[67]采用移動(dòng)天線，通過(guò)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)幅度和多普勒相關(guān)特性的監(jiān)測(cè)，區(qū)分真實(shí)信號(hào)和欺騙信號(hào)的空間特征。文獻(xiàn)[68]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)接收機(jī)隨機(jī)移動(dòng)時(shí)，2 個(gè)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)之間的多普勒頻差在時(shí)域上是非線性的，而2 個(gè)欺騙信號(hào)之間的多普勒頻差是線性的。基于此，提出了一種基于多普勒頻差的方法，將欺騙檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為序列線性檢測(cè)問(wèn)題。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)能有效地檢測(cè)到導(dǎo)航欺騙，并能區(qū)分欺騙信號(hào)和真實(shí)信號(hào)。采用移動(dòng)天線進(jìn)行欺騙檢測(cè)，需要天線運(yùn)動(dòng)，不能在靜態(tài)中應(yīng)用。文獻(xiàn)[69]提出了一種基于單旋轉(zhuǎn)天線功率測(cè)量的欺騙對(duì)策，該方法使用一個(gè)低成本的轉(zhuǎn)臺(tái)使天線旋轉(zhuǎn)，利用天線增益方向圖的各向異性，采用功率測(cè)量相位差的方法來(lái)檢測(cè)欺騙信號(hào)。該方法可以在靜態(tài)或低動(dòng)態(tài)的常規(guī)接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)器是欺騙檢測(cè)成功的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[70]針對(duì)移動(dòng)天線設(shè)計(jì)了相關(guān)的檢測(cè)器，分析比較了檢測(cè)器的性能，得出了位置參數(shù)估計(jì)質(zhì)量的下界。

每一種檢測(cè)方法都有其適用范圍，一種方法不可能將所有的欺騙都檢測(cè)出來(lái)，即使是一種欺騙，也不可能百分之百地檢測(cè)出來(lái)；所以可將幾種方法聯(lián)合起來(lái)使用，以提高檢測(cè)的成功率和適應(yīng)性。文獻(xiàn)[71]提出了一種基于導(dǎo)航信號(hào)多個(gè)統(tǒng)計(jì)的欺騙檢測(cè)方案，該方案根據(jù)多普勒頻移、C/N0估計(jì)，以及位置速度時(shí)間、星歷、偽距率信息的一致性來(lái)檢測(cè)是否存在欺騙信號(hào)。文獻(xiàn)[72]研究了如何將多個(gè)檢測(cè)融合在一起的問(wèn)題，提出了一種基于信任函數(shù)的欺騙檢測(cè)融合方法，并利用公共測(cè)試數(shù)據(jù)集進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明檢測(cè)融合減少了檢測(cè)的誤報(bào)，提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。文獻(xiàn)[73]提出了一種由欺騙檢測(cè)、真實(shí)/欺騙信號(hào)分類和欺騙消除組成的移動(dòng)接收機(jī)欺騙檢測(cè)、分類和消除體系結(jié)構(gòu)，從捕獲層、跟蹤層和定位層等對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和消除，進(jìn)而獲取并跟蹤真實(shí)信號(hào)，獲得可靠的導(dǎo)航結(jié)果。但是，采用新的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一款接收機(jī)需要相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和技能，技術(shù)難度較大，所需成本也比較大。

3 展望

導(dǎo)航信息安全逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航安全性不行，不僅一切等于零，甚至?xí)蔀閿撤嚼玫墓ぞ撸詈笞兂蓚ψ约旱睦鳌?duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用，應(yīng)首先進(jìn)行欺騙檢測(cè)，這樣才能安全可靠地使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。總的來(lái)說(shuō)，基于接收機(jī)改進(jìn)的欺騙檢測(cè)技術(shù)應(yīng)對(duì)以下幾點(diǎn)加以關(guān)注：

1）注重信號(hào)捕獲前欺騙信號(hào)識(shí)別方法的研究。在接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)捕獲前，如果能夠?qū)⑿l(wèi)星導(dǎo)航欺騙信號(hào)識(shí)別出來(lái)，則可研究相應(yīng)的方法將欺騙信號(hào)剔除掉，使接收機(jī)直接捕獲衛(wèi)星導(dǎo)航真實(shí)信號(hào)。這樣，即使存在導(dǎo)航欺騙，也能使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。

2）應(yīng)深入研究多種欺騙檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)合方法。隨著欺騙技術(shù)的發(fā)展，欺騙檢測(cè)越來(lái)越難，再優(yōu)秀的欺騙檢測(cè)技術(shù)也很難將所有的欺騙情況都檢測(cè)出來(lái)。而且，最困難的是不知道敵方使用哪種欺騙技術(shù)，什么時(shí)間欺騙。為了更好地對(duì)欺騙進(jìn)行檢測(cè)，可在不同階段將幾種欺騙檢測(cè)方法聯(lián)合。目前，聯(lián)合方法研究得還較少，應(yīng)深入研究多種欺騙檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)合方法，將不同的檢測(cè)方法深入融合，提高欺騙檢測(cè)的成功率。

3）應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)試集。改進(jìn)接收機(jī)或接收天線需要比較深的專業(yè)知識(shí)，很多導(dǎo)航欺騙檢測(cè)的研究者無(wú)法對(duì)接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者算法進(jìn)行改進(jìn)。而導(dǎo)航欺騙發(fā)展得越來(lái)越迅速，這就需要很多從事衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的學(xué)者從應(yīng)用的角度研究導(dǎo)航欺騙檢測(cè)，所以應(yīng)該建立一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)試集，供廣大學(xué)者研究欺騙檢測(cè)技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

欺騙檢測(cè)是衛(wèi)星導(dǎo)航防欺騙需要首先解決的問(wèn)題，快速有效地檢測(cè)導(dǎo)航欺騙具有很大的挑戰(zhàn)性。本文主要介紹了基于接收機(jī)改進(jìn)的導(dǎo)航欺騙檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，探討了擴(kuò)頻碼加密、導(dǎo)航消息身份驗(yàn)證，以及基于信號(hào)功率、多普勒頻移一致性檢查、信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、信號(hào)空間處理等檢測(cè)技術(shù)的不足，最后對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了展望。

相對(duì)于導(dǎo)航信號(hào)加密認(rèn)證技術(shù)，基于信號(hào)特征的欺騙檢測(cè)不需要更改信號(hào)協(xié)議和基礎(chǔ)設(shè)施，只須對(duì)接收機(jī)或接收天線進(jìn)行改進(jìn)。并且，很多方法在檢測(cè)欺騙的同時(shí)，還可以有效消除欺騙信號(hào)，使接收機(jī)能夠獲得可靠、正確的導(dǎo)航結(jié)果，提供正常的服務(wù)，具有非常大的優(yōu)勢(shì)，促使很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)展開研究，相關(guān)成果非常豐富。但是：第一，改進(jìn)接收機(jī)或接收天線需要比較深的專業(yè)知識(shí)，而且現(xiàn)有的商業(yè)接收機(jī)并不允許客戶更改，所以這種技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的商業(yè)接收機(jī)不太適用；第二，利用接收機(jī)檢測(cè)導(dǎo)航欺騙，相當(dāng)于自己檢測(cè)自己，且為了更好地檢測(cè)欺騙信號(hào)，必然會(huì)喪失其他方面的性能，如快速性、動(dòng)態(tài)性等等。所以，對(duì)于現(xiàn)有的商業(yè)接收機(jī)，需要采用其他方法進(jìn)行欺騙檢測(cè)。