北斗卫星授时信号欺骗干扰检测技术研究

宋 艳，应斌杰

（国网浙江省电力有限公司 丽水供电公司，浙江 丽水 323000）

0 引 言

卫星授时信号的干扰分为压制式干扰和欺骗式干扰。针对压制式干扰的钟差辅助和网络辅助、空时频域自适应滤波、阵列天线等技术以及相关产品现阶段已经逐步成熟，而欺骗式干扰由于存在隐蔽性和多样性等特点，逐步成为卫星授时接收机面临的主要威胁[1]。

电力系统中电能的生产、输送、分配以及使用是同时进行的，这就需要有统一的时间基准来满足电力系统安全稳定判别、经济调度运行以及事故反演分析等需要，时间同步系统的精准可靠异常关键。授时的正确可靠是北斗精准授时应用的基础，因此本文通过研究欺骗干扰信号的特点，提出有效识别与处理欺骗干扰信号的方法，以满足电力系统对时间信息的安全性需求。

1 干扰分类

对卫星导航系统的下行信号进行干扰主要是针对导航接收机的干扰对抗,从技术上考虑，主要有压制式干扰和欺骗式干扰，分类如图1所示。

图1 干扰方式分类图

根据产生方法不同，可将欺骗干扰信号分为产生式和转发式两种[2]。产生式欺骗干扰是指欺骗干扰源不同步真实导航系统，直接自己产生假的导航信号发送给用户接收设备，用户接收设备得到错误的伪距后计算出错误的位置速度信息，从而达到欺骗干扰的目的。产生式欺骗干可掌握BDS/GPS民码的结构、帧格式以及部分导航电文内容等，然后利用信号模拟装置产生欺骗信号并发送给附近的卫星接收机[3]。转发式欺骗干扰是指欺骗干扰源先接收来自导航卫星的真实信号，然后对真实信号进行放大、延时以及篡改等操作，再发给附近的卫星导航接收设备。

不论哪种欺骗信号，若卫星接收设备不具备检测欺骗信号的能力，将欺骗信号误认为真实信号进行使用，则必将在测量结果、卫星位置、接收机钟差甚至系统时间等方面出现较大的偏差甚至错误，最终导致输出的时频信息产生偏差或错误。

2 欺骗干扰特点

虽然欺骗信号在载波频率、码片速率、调制方式、扩频码码型以及电文格式等方面与真实信号相同，但它与真实信号之间仍然存在一定的差别，否则就达不到欺骗干扰的目的[4]。此外，施放欺骗干扰信号时一般会伴随压制干扰，这与正常电磁环境也有所区别[5]。利用这些特征可以有效检测欺骗干扰信号的存在，防止将欺骗干扰信号用于定位和授时。

3 欺骗干扰检测手段

针对欺骗干扰的特征，提出以下5个检测欺骗干扰信号的检测手段。

3.1 AGC控制电压监测

现有的授时型接收机的射频电路中包含自动增益控制（Auto Gain Control，AGC）器件，它能对输入射频信号电平进行监视和调整，以确保输入A/D转换器的信号电平满足最优量化的要求[6]。在正常工作条件下，扩频信号的强度远低于噪声强度，影响AGC控制电压的主要因素是噪声电平，而噪声电平受器件性能的制约，通常不会发生太大变化。在干扰强度大于噪声强度的情况下，影响AGC控制电压的主要因素是干扰信号强度。AGC采用了负反馈控制策略，当输入信号强度上升时，AGC降低信号放大倍数。因此当有高强度干扰进入射频电路时，将会促使AGC电路检测到输入信号电平的变化，同时通过电压控制的方法来使经过放大后的信号电平保持稳定，即通过AGC控制电压的检测能发现是否有干扰信号进入接收机电路，并且根据增益具体值对干扰强度做出一个定量判断。输入干扰强度与AGC增益变化关系曲线如图2所示。

图2 输入干扰强度与AGC增益变化关系曲线

由图2可以看出，随着输入干扰强度的变化，AGC增益会做出相应的调整，使得放大后的电平可以保持稳定。而且随着干扰强度的增大，AGC会进一步降低放大增益，从AGC增益的变化情况可以比较准确地判断出目前干扰强度的情况。

3.2 卫星信号功率估计

在正常情况下，由于卫星发射信号功率稳定，传播损耗也在一个可以预测的范围内，因此接收机接收真实卫星信号的功率有一个比较低且可以预测的上限。当欺骗方利用压制加欺骗的方式进行欺骗时，必须发射较大功率的噪声信号，严重抬高并恶化接收机总接收噪声功率，掩盖真实卫星信号[7]。同时为了使欺骗信号能被接收机接收，欺骗方发射的虚假卫星信号的功率也必须远大于真实卫星信号。也就是说，接收机在受到压制加欺骗方式进行的欺骗时，其接收到的欺骗信号功率远大于正常情况下接收到的真实卫星信号功率，如果对接收机接收到的卫星信号功率进行检测，就可以识别出欺骗信号。图3是为此进行的相关实验的结果，采用“入侵-拉偏”欺骗干扰方式，大部分信号跟踪环路输出载噪比出现10 dB左右异常波动。

图3 欺骗信号入侵环路时载噪比的变化

3.3 基于星历的虚假卫星导航信号识别技术

北斗卫星星历更新频度为1次/h，星历更新时相关参数的更新幅度在可预测的合理范围内。为了达到欺骗的效果，较高级的欺骗方式是初期时欺骗信号中的星历参数和真实卫星星历参数相同或非常接近，待被欺骗的接收机锁定欺骗信号后，再以“小步快跑”的方式，频繁地以比较小的幅度改变星历参数，达到在一定时间内拉偏被欺骗接收机输出时间的效果[8]。或者以“大步突跳”的方式，在正常星历更新频度下，每次更新时大幅改变星历参数，进而达到欺骗的效果。若同时检测接收卫星信号中星历参数更新频度和幅度，则可以识别出通过改变星历参数进行欺骗的信号。星历一致性校验流程如图4所示。

图4 星历一致性校验流程

根据图4，跟踪新的卫星后将接收到新的星历，判断星历更新频度是否符合门限，符合则根据先验星历与新星历计算卫星位置。判断卫星位置之差是否超出门限，不超出若有1 h内的旧星历则根据新、旧星历计算卫星位置。判断卫星位置之差是否超出门限，不超出则认为新星历真实，更新星历。上述判断若有超出门限，则警示可能存在欺骗信号。

3.4 卫星信号数量检测

在正常情况下，接收机在任意时刻能接收到已知数量的真实卫星数量，且每颗卫星也只有1个信号。若欺骗方产生多个卫星的虚假信号发送给接收机，同时没有发送噪声压制真实卫星信号，则接收机必然接收到多个来自同一颗卫星的信号，据此可以检测当前存在欺骗信号，原理如图5所示[9]。引入新的频率偏差，而授时型接收机在一段时间工作后可以获得精确本地钟相对卫星时钟的频率准确度模型，因此频率准确性的突变可能意味着有欺骗干扰的存在。

图5 卫星数量检测原理图

3.5 时钟状态检测

接收机通过多历元观测计算钟差和钟差变化率，可以完成接收机时钟模型的构建[10]。本报告的接收机时钟都采用恒温晶体振荡器（Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO），利用时钟模型可以基于历史数据对后续几小时乃至1天的钟差数据进行预测，接收机可以将预报值与当前观测值进行比较。由于模型具有相对稳定性，而瞬时观测值受各类干扰的影响可能会出现较大的偏差，因此通过模型预测值与当前观测值的比较可以发现异常。

时钟状态监测可以分动态和静态两种场景，两种场景的时钟建模略有不同，但动态场景应用较少将不做分析。静态场景由于本地位置不变，需要解算的未知数仅有1个钟差，少于导航型的4个未知数，因此在利用观测数据冗余性进行完好性校验时所需要的观测量数目有所不同，仅需要两颗卫星就能完成单星欺骗干扰的检测。

当进行一定时间压制干扰后，此时攻击方再释放欺骗干扰，对于某些逼真度较低的欺骗信号，接收机接收到欺骗信号后会发现输出坐标、本地时钟钟差变化率甚至老化率发生了较大的突变。若接收机处于静态工作模式，则恒温晶振的特性是缓变而不是突变，因此发现上述异常突变时，可以发出受到欺骗干扰的告警。此外，若攻击方不压制真实信号，使用“入侵-拉偏”的欺骗干扰方式，有可能会对真实卫星信号

通过一段时间观测形成的接收机时钟特性可以用于检测欺骗干扰，进一步提高授时型接收机在恶意攻击环境下的工作性能。图6是为此进行的相关实验的结果。

图6 驯服完成后鉴别拉偏速率0.2 ns/s的欺骗干扰

4 结 论

现有普通的授时设备为降低功耗、体积以及成本，未采取任何抗欺骗措施，易在受到欺骗后输出错误的时间。因此，采用抗欺骗授时设备，通过硬件和软件实现多样性的抗欺骗措施，实现欺骗干扰信号的感知与智能化防御，保障电力系统安全稳定运行。