衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)捕獲階段抗欺騙干擾技術(shù)研究

董　斌，莫家文，涂衛(wèi)軍，朱微波

(洪都航空工業(yè)集團(tuán)公司,江西 南昌 330024 )

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衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)捕獲階段抗欺騙干擾技術(shù)研究

董斌，莫家文，涂衛(wèi)軍，朱微波

(洪都航空工業(yè)集團(tuán)公司,江西 南昌 330024 )

衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾信號(hào)依靠功率優(yōu)勢(shì)可以使接收機(jī)誤捕獲欺騙信號(hào)，從而進(jìn)入跟蹤、解算環(huán)節(jié)，使接收機(jī)解算出錯(cuò)誤結(jié)果。在捕獲階段采取抗欺騙干擾措施，可以有效降低接收機(jī)在后續(xù)環(huán)節(jié)抗干擾處理的壓力。研究了欺騙干擾對(duì)接收機(jī)捕獲階段的影響，總結(jié)了基于上下限閾值和外部信息輔助的捕獲階段欺騙干擾檢測(cè)與抑制方法，可為導(dǎo)航接收機(jī)抗欺騙干擾設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

衛(wèi)星導(dǎo)航；欺騙干擾；信號(hào)捕獲；上下限閾值；外部輔助

0　引言

衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙干擾設(shè)備通過(guò)發(fā)播欺騙干擾信號(hào)，誘導(dǎo)接收機(jī)捕獲、跟蹤欺騙信號(hào)，使接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置、時(shí)間信息[1]。GNSS ICD文件公開(kāi)民用導(dǎo)航信號(hào)體制，使干擾方產(chǎn)生并實(shí)施欺騙干擾成為可能[2]。2012年，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校Dr Humphreys的研究團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了對(duì)大型游輪、無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的劫持試驗(yàn)，使欺騙干擾成為現(xiàn)實(shí)威脅[3]。目前對(duì)抗欺騙干擾研究主要集中在跟蹤環(huán)路和解算環(huán)節(jié)[4-5]，信號(hào)捕獲階段的抗干擾研究較少。本文提出了一系列捕獲階段抗欺騙干擾方法，可為導(dǎo)航接收機(jī)抗欺騙干擾提供技術(shù)參考。

1　欺騙干擾對(duì)接收機(jī)信號(hào)捕獲影響

欺騙信號(hào)存在時(shí)，接收機(jī)中頻信號(hào)為：

(1)

式中，P為信號(hào)功率，C(t-τ)表示信號(hào)擴(kuò)頻偽碼及初始相位，f為信號(hào)載波頻率，θ為載波初始相位，n(t)為有限帶寬下的噪聲模型。

欺騙干擾存在時(shí)，接收機(jī)進(jìn)行并行碼相位捕獲，可能檢測(cè)到衛(wèi)星信號(hào)與欺騙干擾相關(guān)峰。欺騙干擾信號(hào)依靠功率優(yōu)勢(shì)，使接收機(jī)進(jìn)行非相干積分選大判決時(shí)，誤捕獲欺騙干擾，如圖1所示。

圖1　真實(shí)、欺騙干擾信號(hào)非相干輸出相關(guān)峰

2　捕獲階段抗欺騙干擾方法

2.1基于上下限閾值的捕獲算法

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)捕獲時(shí)，信號(hào)(真實(shí)或欺騙干擾信號(hào))的非相干檢測(cè)包絡(luò)v的概率密度函數(shù)服從中心參量為預(yù)檢測(cè)信噪比C/N的萊斯分布：

(2)

欺騙干擾存在的環(huán)境下，接收機(jī)可以同時(shí)捕獲到真實(shí)、欺騙信號(hào)的非相干積分值。干擾方為了保證接收機(jī)可以捕獲到欺騙干擾信號(hào)，傾向于產(chǎn)生干信比JSR較大的欺騙干擾信號(hào)，這為干擾信號(hào)檢測(cè)提供了可能。欺騙干擾較大的JSR導(dǎo)致(C/N)spoof高于(C/N)auth，從而使得真實(shí)信號(hào)、欺騙干擾預(yù)檢測(cè)積分包絡(luò)概率密度函數(shù)分離，如圖2所示。

圖2　真實(shí)、欺騙干擾信號(hào)預(yù)檢測(cè)積分包絡(luò)概率密度函數(shù)

在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)功率長(zhǎng)期觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)定正常衛(wèi)星信號(hào)非相干積分值閾值上限vth。信號(hào)捕獲結(jié)果若大于上限閾值vth，則認(rèn)為捕獲結(jié)果為欺騙干擾，摒棄此捕獲結(jié)果并發(fā)出干擾預(yù)警，如圖3所示。

2.2基于外部速度信息輔助的捕獲算法

民用航空、遠(yuǎn)洋船只除具有衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)外，通常裝備有較高精度的慣性導(dǎo)航設(shè)備，可以提供較高精度的載體速度信息。INS可輸出載體速度矢量：VINS=(vINSx,vINSy,vINSz)及位置矢量PINS=(xINS,yINS,zINS)。解算星歷數(shù)據(jù)可得衛(wèi)星速度矢量Vsat=(vsatx,vsaty,vsatz)和位置矢量Psat=(xsat,ysat,zsat)。根據(jù)INS數(shù)據(jù)及星歷數(shù)據(jù)計(jì)算的多普勒預(yù)測(cè)值如式(3)所示，式中e為單位視向矢量。

(3)

當(dāng)接收機(jī)確定載體速度、星歷信息可用時(shí)，利用式(3)預(yù)測(cè)多普勒頻移[6]，如圖4所示。將捕獲的多普勒頻移結(jié)果與預(yù)測(cè)多普勒頻移進(jìn)行一致性判決(通常為考慮誤差情況下的求差計(jì)算)，若判決結(jié)果大于閾值，則認(rèn)為此結(jié)果為欺騙干擾，發(fā)出干擾預(yù)警；反之則認(rèn)為是衛(wèi)星信號(hào)，可轉(zhuǎn)入跟蹤環(huán)路。

圖3　基于上下限閾值的捕獲算法

圖4　基于外部速度信息輔助的捕獲算法

2.3基于外部位置信息輔助的捕獲算法

失去GNSS輔助時(shí)，誤差累計(jì)效應(yīng)導(dǎo)致INS定位精度隨著時(shí)間而逐漸惡化，直至無(wú)法使用。在GNSS失鎖的一段時(shí)間內(nèi)，民用航空和遠(yuǎn)洋船只的高等級(jí)INS仍可以輸出一定精度范圍的位置信息。失鎖后，接收機(jī)仍保持失鎖前的幀同步信息和位同步信息。接收機(jī)根據(jù)捕獲到的偽碼相位計(jì)算GNSS偽距，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

由INS輸出的載體位置信息與星歷信息解算出衛(wèi)星位置信息計(jì)算INS偽距r。將GNSS偽距與INS偽距進(jìn)行一致性判據(jù)，若大于閾值則認(rèn)為捕獲到欺騙干擾信號(hào)，棄用該捕獲結(jié)果并發(fā)出預(yù)警，反之則認(rèn)為捕獲到真實(shí)信號(hào)，可轉(zhuǎn)入跟蹤環(huán)節(jié)，如圖5所示。

圖5　基于外部位置信息輔助的捕獲算法

3　結(jié)束語(yǔ)

本文以信號(hào)捕獲中的非相干積分為研究對(duì)象，分析了欺騙干擾對(duì)接收機(jī)捕獲階段影響?？偨Y(jié)了基于上下限閾值和外部信息輔助的捕獲階段欺騙干擾檢測(cè)與抑制方法，可為導(dǎo)航接收機(jī)抗欺騙干擾設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考?，F(xiàn)代導(dǎo)航接收機(jī)面臨著極度復(fù)雜的欺騙干擾場(chǎng)景，本文提出的方法僅適用于部分欺騙干擾場(chǎng)景。實(shí)際使用環(huán)境中，干擾方可以通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)目標(biāo)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生與衛(wèi)星信號(hào)特征差異度較小的欺騙干擾信號(hào)。針對(duì)此類(lèi)欺騙干擾信號(hào)，目前尚未有可靠的欺騙干擾檢測(cè)與抑制方法，這也是本文后續(xù)研究的重點(diǎn)?！?/p>

[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]單童.深組合系統(tǒng)中慣性輔助GPS基帶技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，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，高級(jí)工程師，主要從事制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制研究。

TN973

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