卫星导航接收机捕获阶段抗欺骗干扰技术研究

董　斌，莫家文，涂卫军，朱微波

(洪都航空工业集团公司,江西 南昌 330024 )



·工程应用·

卫星导航接收机捕获阶段抗欺骗干扰技术研究

董斌，莫家文，涂卫军，朱微波

(洪都航空工业集团公司,江西 南昌 330024 )

卫星导航欺骗干扰信号依靠功率优势可以使接收机误捕获欺骗信号，从而进入跟踪、解算环节，使接收机解算出错误结果。在捕获阶段采取抗欺骗干扰措施，可以有效降低接收机在后续环节抗干扰处理的压力。研究了欺骗干扰对接收机捕获阶段的影响，总结了基于上下限阈值和外部信息辅助的捕获阶段欺骗干扰检测与抑制方法，可为导航接收机抗欺骗干扰设计提供技术参考。

卫星导航；欺骗干扰；信号捕获；上下限阈值；外部辅助

0　引言

卫星导航欺骗干扰设备通过发播欺骗干扰信号，诱导接收机捕获、跟踪欺骗信号，使接收机解算出错误的位置、时间信息[1]。GNSS ICD文件公开民用导航信号体制，使干扰方产生并实施欺骗干扰成为可能[2]。2012年，美国德州大学奥斯汀分校Dr Humphreys的研究团队成功进行了对大型游轮、无人直升机卫星导航系统的劫持试验，使欺骗干扰成为现实威胁[3]。目前对抗欺骗干扰研究主要集中在跟踪环路和解算环节[4-5]，信号捕获阶段的抗干扰研究较少。本文提出了一系列捕获阶段抗欺骗干扰方法，可为导航接收机抗欺骗干扰提供技术参考。

1　欺骗干扰对接收机信号捕获影响

欺骗信号存在时，接收机中频信号为：

(1)

式中，P为信号功率，C(t-τ)表示信号扩频伪码及初始相位，f为信号载波频率，θ为载波初始相位，n(t)为有限带宽下的噪声模型。

欺骗干扰存在时，接收机进行并行码相位捕获，可能检测到卫星信号与欺骗干扰相关峰。欺骗干扰信号依靠功率优势，使接收机进行非相干积分选大判决时，误捕获欺骗干扰，如图1所示。

图1　真实、欺骗干扰信号非相干输出相关峰

2　捕获阶段抗欺骗干扰方法

2.1基于上下限阈值的捕获算法

卫星导航接收机进行信号捕获时，信号(真实或欺骗干扰信号)的非相干检测包络v的概率密度函数服从中心参量为预检测信噪比C/N的莱斯分布：

(2)

欺骗干扰存在的环境下，接收机可以同时捕获到真实、欺骗信号的非相干积分值。干扰方为了保证接收机可以捕获到欺骗干扰信号，倾向于产生干信比JSR较大的欺骗干扰信号，这为干扰信号检测提供了可能。欺骗干扰较大的JSR导致(C/N)spoof高于(C/N)auth，从而使得真实信号、欺骗干扰预检测积分包络概率密度函数分离，如图2所示。

图2　真实、欺骗干扰信号预检测积分包络概率密度函数

在对卫星信号功率长期观测、统计的基础上，设定正常卫星信号非相干积分值阈值上限vth。信号捕获结果若大于上限阈值vth，则认为捕获结果为欺骗干扰，摒弃此捕获结果并发出干扰预警，如图3所示。

2.2基于外部速度信息辅助的捕获算法

民用航空、远洋船只除具有卫星导航接收机外，通常装备有较高精度的惯性导航设备，可以提供较高精度的载体速度信息。INS可输出载体速度矢量：VINS=(vINSx,vINSy,vINSz)及位置矢量PINS=(xINS,yINS,zINS)。解算星历数据可得卫星速度矢量Vsat=(vsatx,vsaty,vsatz)和位置矢量Psat=(xsat,ysat,zsat)。根据INS数据及星历数据计算的多普勒预测值如式(3)所示，式中e为单位视向矢量。

(3)

当接收机确定载体速度、星历信息可用时，利用式(3)预测多普勒频移[6]，如图4所示。将捕获的多普勒频移结果与预测多普勒频移进行一致性判决(通常为考虑误差情况下的求差计算)，若判决结果大于阈值，则认为此结果为欺骗干扰，发出干扰预警；反之则认为是卫星信号，可转入跟踪环路。

图3　基于上下限阈值的捕获算法

图4　基于外部速度信息辅助的捕获算法

2.3基于外部位置信息辅助的捕获算法

失去GNSS辅助时，误差累计效应导致INS定位精度随着时间而逐渐恶化，直至无法使用。在GNSS失锁的一段时间内，民用航空和远洋船只的高等级INS仍可以输出一定精度范围的位置信息。失锁后，接收机仍保持失锁前的帧同步信息和位同步信息。接收机根据捕获到的伪码相位计算GNSS伪距，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

由INS输出的载体位置信息与星历信息解算出卫星位置信息计算INS伪距r。将GNSS伪距与INS伪距进行一致性判据，若大于阈值则认为捕获到欺骗干扰信号，弃用该捕获结果并发出预警，反之则认为捕获到真实信号，可转入跟踪环节，如图5所示。

图5　基于外部位置信息辅助的捕获算法

3　结束语

本文以信号捕获中的非相干积分为研究对象，分析了欺骗干扰对接收机捕获阶段影响。总结了基于上下限阈值和外部信息辅助的捕获阶段欺骗干扰检测与抑制方法，可为导航接收机抗欺骗干扰设计提供技术参考。现代导航接收机面临着极度复杂的欺骗干扰场景，本文提出的方法仅适用于部分欺骗干扰场景。实际使用环境中，干扰方可以通过实时探测目标接收机运动状态，产生与卫星信号特征差异度较小的欺骗干扰信号。针对此类欺骗干扰信号，目前尚未有可靠的欺骗干扰检测与抑制方法，这也是本文后续研究的重点。■

[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]单童.深组合系统中惯性辅助GPS基带技术研究[D].南京：南京理工大学，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，高级工程师，主要从事制导、导航与控制研究。

TN973

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