卫星导航欺骗信号检测技术研究

董树理，刘 敏，许光飞

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

卫星导航干扰主要分为压制干扰和欺骗干扰2类。压制干扰主要通过更强的干扰信号使接收机无法正常工作，容易被侦测。欺骗干扰则利用虚假信号欺骗接收机，接收机可保持捕获跟踪状态，但解算得到错误的定位或授时结果，具有功率小、隐蔽性强及不易察觉的特点。

抗欺骗干扰技术的研究从20世纪90年代开始，包括接收机自主完好性检测技术[1-2]、基于多径估计的欺骗干扰方法[3-4]、信号加密[5-6]、信号功率检测[7-8]、多天线检测技术[9-12]、双模检测技术[13]以及惯性测量单元辅助欺骗检测技术[14]等。卫星导航信号的脆弱性已经越来越引起重视，GNSS抗欺骗干扰技术是当前国内外卫星导航领域研究的热点问题。

抗欺骗技术大体从信号体制、终端技术和外部辅助3个方面实现。目前研究较多的是从信号体制或从天线阵等外部辅助出发，提高抗干扰能力。其中，终端反欺骗技术可从接收机的信号层、信息层和应用层进行反欺骗设计，或者对现有接收机进行抗欺骗能力改进，技术成本低，实现方便，可达到较好的反欺骗效果。本文主要针对终端反欺骗技术中的欺骗信号检测技术进行分析研究，并通过采用不同欺骗信号检测技术的导航接收机进行测试，研究其检测统计量分布情况，总结比较其应用场景和反欺骗效果。

1 欺骗信号检测技术原理

对接收机而言，反欺骗主要是对欺骗干扰信号的检测和消除，其中，欺骗信号的检测在抗欺骗干扰方面相对可靠[15]。欺骗信号检测主要是通过检测欺骗信号的存在，区分真实卫星信号和欺骗干扰信号，并将接收信号中的欺骗信号标记出来，排除在定时定位计算之外，从而消除欺骗干扰对接收的影响[16]。

欺骗干扰分为自主产生式和转发式2种干扰方式。无论采用哪种干扰方式，设备要实现对用户终端的欺骗干扰，需要使欺骗干扰信号在进入被欺骗接收机时，在信号功率、导航电文及信号传播延时等参数上进行修改。要控制欺骗信号进入用户终端时的功率、信号来向及码同步等非常困难，与真实信号必然存在差异。欺骗信号的检测是针对这些欺骗信号参数与真实信号参数的差异，应用卫星功率、载噪比、不同频点相对功率、多普勒一致性及电文信息等参数进行欺骗干扰信号的检测与识别。

2 功率检测技术

2.1 检测原理

对于接收机在地球表面接收，所接收到的信号功率电平较低。如GPS信号的最大接收功率不会超过-150 dBW，其L1，L2，L5频点的接收功率一般在-150～-162 dBW之间[17]。欺骗攻击要使接收机错误的捕获和跟踪欺骗信号，欺骗信号功率要大于真实信号功率，因此可以设置合理的功率上限，通过限制信号功率进行欺骗信号的检测识别。信号功率的测量可以通过捕获峰值、跟踪相关值和载噪比体现，但是影响上述3个检测统计量的不仅是信号功率，还包括干扰和噪声功率。

捕获为针对特定PRN号的GNSS卫星信号伪码相位和载波频率的二维搜索过程。捕获峰值为GNSS空间信号与对齐的本地信号的相关值，其峰值大小反映了信号功率和噪声功率大小。因此可以形成捕获峰值欺骗检测算法。

针对I，Q路有跟踪相关值，其相关值大小反映了信号功率和噪声功率大小。因此可以形成跟踪相关值欺骗检测算法。

载噪比(C/N0)反映了信号功率与噪声功率的关系，是描述接收机信号质量的一个重要指标。I路主要反映相关信号功率，Q路主要反映相关噪声功率。载噪比的测定一般采用I，Q路的相关值计算得到。由于GNSS卫星信号载噪比受到噪声和其他信号互相关的影响，利用在接收噪底下GNSS卫星信号的载噪比分布，可以形成C/N0欺骗检测算法。

I，Q路的相干积分表达为：

(1)

(2)

捕获峰值检测统计量值为：

(3)

跟踪相关值检测统计量值为：

(4)

(5)

定义Z值：

(6)

C/N0检测统计量为：

(7)

式中，Nnc为非相干积分数目，M为数据长度，Tcoh为相干积分时间。

2.2 测试与分析

利用捕获值、跟踪相关值、载噪比可以对卫星信号进行欺骗检测，真实信号的这些统计量一般小于欺骗信号，因而设定真实信号的捕获值、跟踪相关值及载噪比小于一个阈值门限。接收机中检测判别条件为，当这些统计量中存在某一统计量大于阈值门限即为欺骗信号。统计一段时间内各检测统计量的分布情况如图1～图4所示。

图1 L1信号捕获峰值分布图

从图1中可以看出，当捕获峰值大于某一阈值时，可以认为是干扰信号。

从图2中可以看出，正常信号的载噪比小于某一阈值。当信号载噪比大于此阈值时，可以认为是干扰信号。

图2 L1信号载噪比分布图

图3 I路相关值示意图

图4 Q路相关值分布图

正常信号的I，Q支路相关值小于某一阈值。当相关值大于此阈值时，可以认为是干扰信号。

3 多普勒一致性检测技术

3.1 检测原理

GPSL1信号的载波频率为1 575.42 MHz，伪码速率为1.023 MHz。卫星和接收机相对运动存在多普勒效应，卫星和接收机时钟漂移存在频率偏差。由于多普勒效应和时钟漂移的影响，载波频率和伪码速率都会产生多普勒频偏。二者的多普勒频偏具有内在一致性，可以形成多普勒一致性欺骗检测算法，通过多普勒一致性检测统计量来识别欺骗信号。

多普勒一致性检测统计量：

(8)

式中，f0为标准载波频率，fc为标准伪码速率，fd,carr为测量载波多普勒，fd,code为测量伪码多普勒。

3.2 测试与分析

真实信号和欺骗信号的载波多普勒和伪码多普勒有明显的区别，真实信号的多普勒一致性检测统计量在0附近，而该转发式欺骗的多普勒一致性检测统计量在-70附近。这主要是由于欺骗设备在对导航信号进行变频过程中引入的多普勒频率变化导致的。测试结果如图5所示。

图5 L1信号多普勒一致性测试结果

利用载波频率和伪码速率的多普勒一致性可以对卫星信号进行欺骗检测，真实信号的检测统计量一般较小，当欺骗信号产生或转发设备的射频器件存在一定频偏时，其检测统计量一般较大。可以设定真实信号的多普勒一致性检测统计量小于一个阈值门限。当多普勒一致性检测统计量大于阈值门限时判为欺骗信号。当欺骗信号产生或转发设备的射频器件较好，欺骗信号的多普勒一致性较强时，该欺骗检测方法存在漏检的可能。此外，该方法的检测性能受载波多普勒和伪码多普勒测量精度影响。

4 电文信息检测技术

4.1 检测原理

接收机通过卫星信号载波解调和伪码解扩，可以得到导航电文。导航电文中含有钟差参数、星历历书参数及电离层参数等重要信息。其中星历参数和历书参数均可用于计算卫星位置。星历参数计算卫星位置精度高，在米量级，实际接收机位置、速度和时间(PVT)解算中用的是实时星历计算的卫星位置。北斗系统B1I信号的星历参数每一小时更新一次，且利用星历参数估计卫星位置的误差随着当前时间和参考时间的时间差增大而增大。另一种获得星历参数的手段是从网络获取，或利用此前保存的。因而通过比较当前接收到的星历、历书以及已有旧星历、历书计算的卫星位置，当前钟差参数与已有旧钟差参数计算的钟差校正量，可以在一定程度上起到欺骗检测的目的。

通过对卫星位置距离检测统计量、卫星钟差检测统计量的统计识别欺骗信号。

卫星位置距离检测统计量为：

dp=‖Pold,eph-Prec,eph‖。

(9)

卫星钟差检测统计量为：

dt=‖told,eph-trec,eph‖。

(10)

式中，told,eph为利用已有旧钟差参数计算的卫星钟差，trec,eph为利用当前接收到的钟差参数计算的卫星钟差，Pold,eph为利用已有旧星历参数计算的卫星位置，Prec,eph为利用当前接收到的星历参数计算的卫星位置。

4.2 测试与分析

利用已有星历、历书、钟差参数与当前星历、历书、钟差参数进行对比，以及对当前星历、历书参数进行对比，可以在一定程度上对篡改电文的欺骗攻击进行检测。统计固定场景下一定时间内各检测统计量的分布情况，如图6所示。

当保存的星历参考时间与当前时间较近时，真实信号的2种检测统计量一般较小，当产生式欺骗信号对星历参数进行篡改或者使用的星历参数参考时间与当前时间较远时，2种检测统计量一般较大。可以设定2种检测统计量分别小于2个阈值门限。当2个检测统计量存在大于阈值门限的情形，则相应通道被判为欺骗信号。

图6 卫星位置偏差检测统计量分布图

该方法优点是可以检测对导航电文和钟差参数进行篡改的产生式欺骗，缺点是对仅篡改伪距而不篡改电文的转发式欺骗无效。此时，需要采用其他欺骗检测方法。通过优化阈值设定和进行相邻偏差差值计算可以改善检测性能。

5 信号质量监测技术

5.1 检测原理

信号质量监测(SQM)反映了卫星信号相关峰的非对称性或者相关峰包络异常，是描述接收机信号相关峰包络形状的一个重要指标。相关峰包络表示信号的互相关函数，在理想条件下是对称的，载噪比稳定时包络变化较小。由于GNSS卫星信号相关峰包络受到欺骗信号的相互作用影响，可以采用信号质量监测的方法，通过SQM监测统计量来进行欺骗信号识别。

(11)

(12)

式中，IE，IL，IP分别为超前、滞后和当前相关值。

5.2 测试与分析

统计固定场景下一定时间内各检测统计量的分布情况，如7所示。

图7 信号质量监测(SQM)示意图

从图7中可以看出，真实信号的SQM检测统计量有一个较为明显的阈值。SQM检测统计量能较好地反映相关峰碰撞的过程，但这仅在相关峰碰撞的过程中有效，一旦碰撞完成将会失效。

由于真实信号和欺骗信号互相影响，当真实信号和欺骗信号相关峰间隔小于一个码片即发生碰撞时，相关峰包络会发生畸变。SQM检测统计量是用于衡量相关峰包络的非对称性，可以设定真实场景下检测统计量位于一个阈值门限区间。当通道信号质量监测检测统计量超出阈值门限时判为欺骗信号。该欺骗检测方法存在误检和漏检概率：即间隔一个码片之内的多径信号会因所引起的相关峰包络畸变而被判为欺骗信号，即引起误检，对间隔大于一个码片的欺骗信号会出现漏检。同时其只能在环路被夺取的很短一段时间内起作用，如果环路已经被夺取，则该方法会失效。

6 结束语

不同的欺骗信号检测技术可以通过表征其特征的统计量来实现。功率检测、多普勒一致性检测、电文信息检测及信号质量监测等技术，其检测统计量都是从真实信号与欺骗信号的差异出发，在接收机算法层面进行统计，进行实现欺骗信号检测，实现反欺骗功能。这些技术不需要添加外设，成本较低，但是会增加接收机算法的复杂性，而且受到欺骗信号的质量影响较大。这些技术是针对欺骗信号的某一具体特征提出的，而欺骗信号的特征随着欺骗策略和模式的不同而变化，因此，在不知道欺骗策略和模式的情况下，很难采用有效的针对性抗欺骗技术。为提高接收机抗欺骗干扰的效能，最直接有效的方法是结合多种已有的欺骗检测技术，从不同方面对信号进行检测，确定欺骗信号是否存在。