卫星导航欺骗信号检测技术探究

伍俊，戴志春

（湖南卫导信息科技有限公司，湖南长沙，410005）

1 卫星导航系统欺骗信号检测技术基本原理

为更好的解读欺骗信号检测技术，我们首先对欺骗信号的生产简单说明。卫星导航系统欺骗信号一般分为转发式欺骗方法和生成式欺骗方法。转发式欺骗方式是指欺骗装置接收到卫星发射的真实导航信号后，经过延时、功率放大后转发至用户的方式。由于转发式产生欺骗信号不能改变卫星定位的真实信息内容，只能对功率和延时进行改变，因此，这种方式易于被检测发现。生成式欺骗方式，则不需要接受卫星真实信号，而是自主产生欺骗信号。对这种方式，显然不仅存在欺骗信号的功率变化、延时，最主要的是对导航定位信息的内容进行改变，达到严重后果的欺骗方式。这种欺骗方式往往要采取多种算法和比较方式对欺骗信息进行甄别和消除。但无论哪种方式，传播距离、空间特性、设备特性的不同，欺骗信号的功率、进入角、延时以及码同步，加密等多方面都会与真实信号有所不同。

目前对欺骗信号的甄别主要是对信号的几个方面特性进行检测比较。总结归纳起来，分别为信号功率检测、信号来向检测、信号延时检测，以及其他方面的检测。

1.1 信号功率检测

由于欺骗信号相较真实信号而言，往往存在信号峰值的不同，又因为设备的移动，造成信号功率随运动变化值有所不同，还有就是信号功率与噪声功率的变化导致欺骗信号的载噪比有所不同，这在转发式欺骗信号的应用上表现得较为明显。

（1）信号峰值检测方式。对于地面接收装置而言，所接收到的信号功率较低。欺骗信号要使接收设备接收到错误的信号，其功率要大于真实信号的功率。因此，设置合理的功率上限值，对于超出这一上限值的可以判定为欺骗信号。

（2）跟踪信号值检测方式。导航卫星与接收设备较远，而欺骗信号的发射源在地面，与接收设备较近。相比较而言，相对运动造成的变化，肯定是卫星与接收设备的距离变化引起的功率变化较小，而欺骗设备与接收设备的距离变化会导致功率发生较大的变化。通过跟踪信号值的变化剧烈程度，可以检测识别欺骗信号。

（3）载噪比检测方式。载噪比指的是信号功率与噪声功率的比值，是反应信号质量的重要指标之一。由于GNSS载噪比受到噪声和其他信号的影响，通过统计分析可知，真实信号的载噪比要小于欺骗信号的载噪比，通过载噪比分布，可以形成载噪比欺骗检测的算法。具体原理详见参看文献。

简而言之，利用信号功率的峰值检测、跟踪信号值检测，以及信噪比检测计算，可以对GNSS欺骗信号进行检测，真实信号的这些统计数据一般都会小于欺骗信号，因此，通过设定真实信号的功率、跟踪信号值以及载噪比的门限值。通过信号接收设备的判读条件，来判定接收信息是否为欺骗信号。

信号功率检测技术较为简单，便于实施。但正因为其简单，所以自主产生式欺骗信号发射装置能很好的模拟真实信号，对于以功率检测为主的接收装置，效果一般。

1.2 信号来向检测

当前GNSS欺骗信号的发射源，往往是从单一设备进行的发射，因此，不同欺骗信号只要是从同一欺骗设备进行的发送，其到达接收设备的方向肯定一致。而受到地球自传、卫星公转以及其他空间影响所造成的变化，导致导航卫星的真实信号到达接收设备的方向角会有所不同。利用这一特性，对欺骗信号的来向与卫星真实导航信号进行检测比对，从而发现并排除欺骗信号。也是一种非常有效的欺骗信号识别方法。

信号来向检测技术，对自主产生式欺骗方式和转发式欺骗方式产生的欺骗信号都有较强的检测能力，是效果较好的欺骗信号检测技术，但由于要区分不同卫星发射信号源方向问题，所以一般要求接收装置要有多天线系统。因此，接收装置的成本较高。

1.3 信号延时检测

信号延时检测方式，就是利用欺骗信号与真实信号在传输上的延时差异进行检测。但真实的情况更复杂，由于GNSS系统信号的载波频率和伪码速率不同，接收设备和卫星设备之间，受到地球自传、卫星公转以及空间环境的影响而产生了相对运动，这种运动会存在多普勒效应，卫星和接收设备的时钟漂移会造成频率的偏差。信号载波频率以及伪码率都会产生多普勒偏移效应，两者的多普勒偏移具有本质上的相同。而显然，这些复杂的变化并不会在欺骗信号中产生，或者其模拟的欺骗信号的复杂性无法与真实信号相比拟。因此，可以设计一种针对多普勒偏移是否一致的方式进行计算，从而检测欺骗信息的存在与否。这就是信号延时检测原理。

信号延时检测技术是在转发式欺骗的条件下，利用欺骗信号较真实信号到达接收设备有延时的特性进行的检测。因此，针对自主产生式欺骗信号则没有甄别能力，特别是自主产生式欺骗信号提前到达的情况下，有可能造成接收装置将欺骗信号当成真实信号，而将真实信号当成欺骗信号的情况发生。

1.4 残留信号检测

残留信号主要是指被欺骗信号所抑制或抵消的真实信号后所残留的信息，这主要是针对欺骗信号发射装置无法有效的抑制导航卫星真实信号。欺骗信号发射设备要想完全抑制导航卫星真实信号，需要在接收设备位置产生能抵消真实卫星信号的欺骗信号。因此，欺骗信号必须与真实信号在接收位置处的波形相反、相位相同、频率一致。而根据有关测算可知，欺骗信号要将真实卫星信号完全抑制，至少要达到在接收设备处产生相位偏差不超过5%的载波周期，要达到如此高精度，目前欺骗信号发射设备在实际运用中几乎无法达到。因此，正是运用这种原理，采取对残留信息的检测，并对此残留信息进行不断跟踪确认，最终确认欺骗信号的存在。

残留信号检测技术，应用效果较好，是抑制欺骗信号的有效手段。但需要增加其他种类的导航传感器，使得系统的软硬件更为复杂。

1.5 电文加密认证检测

由于自主产生式欺骗信息并不接收真实导航信息，而是自主产生与真实信息类似的导航信息发送给接收者。因此，可以设计对真实电文信息进行加密的方式来防止欺骗信息。这种方式较为简单有效，目前，很多卫星导航系统中，都有信息电文的加密预留字节，这些预留字节加入电文加密认证后，使得接收设备能够准确的区分真实微信信号和欺骗信号。而通过不定期更换秘钥，可有效防止密码破解。

经有关研究，导航信息加密认证技术，能够有效的抵御卫星导航欺骗信息，但实施上还有一定难度，因为这需要从国家层面对整个卫星导航信号体制进行更改，因此，其实施难度相对较大。

2 卫星导航欺骗信号检测技术的比较

针对自主产生式欺骗技术和转发式欺骗技术各自的特点，近年来研究了多种检测技术，上文中已经进行了阐述。而针对不同的欺骗信息方式，欺骗信号的强度不同，技术复杂性不同，其检测技术所针对的有所不同。检测性能较高，且对多样性欺骗信息技术的抑制能力较强的反欺骗信息技术主要有，信息来向检测技术，信息加密认证技术、残留信号检测技术。

信息来向检测技术和残留信号检测技术相对于其他检测方法而言，原理简单，方法可靠，但都需要添加设备，使得软硬件设备更加复杂。因此，其使用范围有限。

信息加密认证技术，同样原理简单，对设备要求并不复杂，但需要修改卫星导航系统的信号结构，这使得短期内的应用较为困难。

至于信号功率检测技术、信号延时检测技术，虽然可靠性一般，应用场景较少，但技术相对简单，也无需增添设备，因此，大量应用于对加密信号要求不高的企业和个人。

3 结束语

在GNSS系统已全面影响到社会民生和国防安全的今天，欺骗信号技术和反欺骗信号技术也都在不断发展，可以说没有一种欺骗信号技术能够不被各种检测技术所发现，也没有一种检测技术可以发现所有类型的欺骗信号。通过对各种欺骗信号检测技术的探究，可以发现各种信号的优劣，并据此在实际应用场景中得到有效的选择。针对重要领域可以采用投入大但效果好的信号来向检测技术、残留信息检测技术等，而对于非重要领域，则可以采取投入小的信号功率检测技术、延时检测技术等。