BOC接收機(jī)捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號檢測算法

王芝應(yīng),聶俊偉,李崢嶸,孫廣富

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410073)

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BOC接收機(jī)捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號檢測算法

王芝應(yīng),聶俊偉,李崢嶸,孫廣富

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410073)

針對衛(wèi)星導(dǎo)航BOC調(diào)制接收機(jī)捕獲階段存在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號的檢測問題,提出了一種基于相關(guān)峰個(gè)數(shù)判別及功率大小分析的檢測算法。該算法是利用捕獲階段存在相關(guān)峰的個(gè)數(shù)與是否存在干擾信號密切相關(guān),通過欺騙信號功率高于真實(shí)信號來建立檢測模型,給出了判決門限的計(jì)算方法及ROC曲線,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號的檢測。仿真表明,隨著接收機(jī)相關(guān)值后積累次數(shù)及欺騙信號相對于真實(shí)信號功率強(qiáng)度的增加,該算法的檢測概率越高,可在欺騙干擾信號功率高于真實(shí)信號功率4 dB時(shí),在0.7%的虛警概率下實(shí)現(xiàn)95%以上的檢測概率,對捕獲階段的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號具有較好的檢測效果。

GNSS;轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾;BOC

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)已經(jīng)成為支持國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和維護(hù)軍事安全不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施,隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展,二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制技術(shù)作為新型調(diào)制方式,在現(xiàn)代化方案中被多個(gè)國家的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用,其脆弱性以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)引起了廣泛的關(guān)注。2011年,伊朗成功俘獲美軍無人偵察機(jī)“RQ-170”[1],極大刺激了美國軍方的神經(jīng),迫使其加快對抗欺騙干擾技術(shù)的發(fā)展;2011年美國導(dǎo)航協(xié)會(ION)舉辦的GNSS會議上,討論衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙與抗欺騙技術(shù)的文章達(dá)到18篇,是過去10年ION會議同類研究文章數(shù)量的總和[2];2012年10月18日,美國海軍研究辦公室授予羅克韋爾·科林斯公司一份現(xiàn)代集成化欺騙追蹤(MIST)合同,針對敵人干擾GPS信號、破壞軍事行動(dòng)的企圖,發(fā)展相關(guān)抗欺騙技術(shù)[3]。由此可見,欺騙與抗欺騙技術(shù)已經(jīng)越來越引起人們的重視。

欺騙檢測技術(shù)是抗欺騙技術(shù)研究的第一步,也是非常關(guān)鍵的一步。目前,主要的抗欺騙技術(shù)有信號加密認(rèn)證檢測[4]、信號達(dá)到時(shí)間檢測[5]、信號到達(dá)角檢測[6]、信號功率檢測[7]、多峰檢測[8]等方法。每種檢測方法都有自身的缺點(diǎn)及適用的場景,同

時(shí),單一的檢測技術(shù)均會存在不足。本文在干擾方不使用壓制干擾的情況下,利用“多峰+功率”協(xié)同檢測算法對BOC調(diào)制接收機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號進(jìn)行檢測,給出了判決門限計(jì)算方法及對應(yīng)的ROC曲線。

1 算法原理

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾就是通過自身天線接收真實(shí)衛(wèi)星信號,進(jìn)行適當(dāng)?shù)难舆t、放大后發(fā)射到目標(biāo)接收機(jī),對目標(biāo)接收機(jī)干擾實(shí)現(xiàn)的方式。其信號中包含的偽碼及電文信息均來自真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星,因此不需要知道目標(biāo)方使用導(dǎo)航信號的偽碼序列及電文結(jié)構(gòu)。該干擾可以對包括軍用信號在內(nèi)的所有衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)施有效的欺騙。其原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理圖

“多峰+功率”協(xié)同檢測算法是結(jié)合多峰檢測方法和信號功率檢測方法對BOC調(diào)制接收機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾進(jìn)行檢測,其工作在導(dǎo)航接收設(shè)備的偽碼捕獲階段,在沒有欺騙信號存在的情況下,當(dāng)設(shè)置有合適的捕獲門限時(shí),一般僅有一個(gè)大于門限的相關(guān)峰值;若存在欺騙信號,則會有多個(gè)大于門限的相關(guān)峰值。因此,利用該差異性,即當(dāng)檢測出存在多個(gè)大于門限的相關(guān)峰時(shí),就可判斷當(dāng)前接收信號中存在欺騙信號,此時(shí),利用欺騙信號功率大于真實(shí)信號功率,可檢測出欺騙信號。

若在整個(gè)載波多普勒-碼相位二維搜索范圍內(nèi)只檢測到唯一的信號,如圖2所示,則說明該信號是真實(shí)衛(wèi)星信號,可按照接收機(jī)正常流程轉(zhuǎn)入跟蹤環(huán)節(jié);若檢測到多個(gè)峰,如圖3所示,則說明當(dāng)前信號中可能存在欺騙干擾信號。

因此,可構(gòu)建如下三元檢測問題:

H0:當(dāng)前載波多普勒-碼相位搜索單元處無信號;

H1:當(dāng)前載波多普勒-碼相位搜索單元處為真實(shí)信號;

圖2 捕獲階段真實(shí)信號

圖3 捕獲階段欺騙干擾信號

H2:當(dāng)前載波多普勒-碼相位搜索單元處為欺騙信號。

通過構(gòu)建上述三元檢測,可保證接收機(jī)在真實(shí)信號處按正常流程轉(zhuǎn)入后續(xù)跟蹤處理,從而防止轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾最終影響接收機(jī)的定時(shí)定位結(jié)果。

2 檢測方法

接收機(jī)對某個(gè)衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲的過程中,接收信號首先分別與在一個(gè)接收通道的同向支路上的正弦和正交支路上的余弦復(fù)制載波進(jìn)行混頻,而后混頻結(jié)果與復(fù)制C/A碼進(jìn)行相關(guān),接著相關(guān)結(jié)果i和q經(jīng)過時(shí)間為Tc的相干積分之后生成數(shù)據(jù)對I和Q,最后經(jīng)非相干積分后得到非相干積分的幅值A(chǔ).若存在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號,為了達(dá)到欺騙的效果,其功率必定高于真實(shí)信號的功率,則可通過A2的大小來判別是否存在欺騙干擾。若A2小于門限ρ1,則信號尚未被搜索到;若A2大于門限ρ1且大于門限ρ2,則搜索單元格內(nèi)為真實(shí)信號;若A2大于門限ρ2,則搜索單元格內(nèi)為欺騙信號。

欺騙信號判決流程如圖4所示。

圖4 欺騙信號捕獲判決圖

假設(shè)欺騙信號相關(guān)峰與真實(shí)信號相關(guān)峰的碼相位相距較大。在捕獲階段,接收機(jī)對載波多普勒和碼相位搜索域的每一個(gè)單元均進(jìn)行解擴(kuò)處理,其相關(guān)器輸出為

(1)

式中: sIF(t)為接收信號; s0(t)為接收機(jī)參考信號; t∈[nTc,(n+1)Tc]。

則三種假設(shè)條件可表示為

(2)

相關(guān)器輸出在上述假設(shè)條件下均服從正態(tài)分布:

(3)

欺騙干擾信號功率高于真實(shí)信號,由統(tǒng)計(jì)信號理論知識可知,在加性高斯噪聲環(huán)境下,上述三元假設(shè)檢驗(yàn)的充分統(tǒng)計(jì)量可表示為

(4)

根據(jù)模型的假定,在H0條件下,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量V服從中心化chi平方分布,在H1、H2條件下,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量V服從非中心化chi平方分布。

通過與檢測門限ρ1、ρ2比較,從而在式(7)中的三元假設(shè)中進(jìn)行判決,如圖5所示。

1) 若相關(guān)值能量低于ρ1,則認(rèn)為無信號;

2) 若相關(guān)值能量高于ρ2,則認(rèn)為是欺騙干擾信號;

3) 若相關(guān)值能量在ρ1與ρ2之間,則認(rèn)為是真實(shí)衛(wèi)星信號。

圖5 不同假設(shè)條件下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的概率分布函數(shù)

由此定義兩類虛警概率:

一類虛警:在沒有信號的單元格檢測為有信號(真實(shí)信號或者欺騙信號);

二類虛警:在有真實(shí)信號的單元格檢測為欺騙信號。

不失一般性,假定ρ2>ρ1,則門限ρ1決定了一類虛警概率PFA1,其表達(dá)式為

PFA1=Pr{V>ρ1H0}∪Pr{V>ρ2H0}

(5)

即門限ρ1的表達(dá)式為

(6)

門限ρ2決定了二類虛警概率PFA2,其表達(dá)式為

(7)

即門限ρ2的表達(dá)式為

(8)

欺騙信號的檢測概率可以表示為

(9)

其中:fV|Hi(·)表示為假設(shè)Hi條件下隨即變量V的概率密度函數(shù)[9];FV|Hi(·)為假設(shè)Hi條件下隨機(jī)變量V的積累分布函數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

通過上述分析,得到了虛警、門限及欺騙檢測概率的表達(dá)式,對概率密度函數(shù)進(jìn)行積分可得到積累分布函數(shù)。將H0假設(shè)條件下隨即變量V的積累分布函數(shù)代入式(6)可得到進(jìn)行信號檢測的門限ρ1.

查閱資料可知,衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號到達(dá)地面附近的信號功率基本一致,載噪比大致在35～55dB·Hz這一范圍變動(dòng)[10],故對采用1ms的相干積累長度的捕獲處理而言,其相關(guān)器輸出結(jié)果信噪比范圍為5～25dB.利用上述真實(shí)衛(wèi)星信號功率的先驗(yàn)信息,以及二類虛警概率PFA2,即可得到進(jìn)行欺騙信號檢測的門限ρ2.

根據(jù)上述分析得出各假設(shè)條件下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量V的概率密度函數(shù)以及積累分布函數(shù),即可通過數(shù)值計(jì)算和仿真得到“多峰+功率”協(xié)同檢測ROC曲線的理論值及仿真值。

為了校驗(yàn)提出算法的有效性,利用Matlab軟件在表1的參數(shù)下,進(jìn)行1 000次蒙特卡洛仿真。圖6、圖7分別給出了在接收機(jī)相關(guān)器輸出端真實(shí)信號信噪比為10dB的條件下,不同欺騙信號信噪比以及不同后積累次數(shù)的ROC曲線。

表1 仿真參數(shù)表

圖6示出了真實(shí)信號信噪比為10dB,欺騙信號為13dB,自由度分別為1、3、5時(shí),虛警概率與檢測概率之間的關(guān)系。從圖中可以看出,欺騙信號信噪比高于真實(shí)信號3dB,在相同虛警概率的情況下,隨著接收機(jī)相關(guān)值后積累次數(shù)的增加,欺騙信號檢測概率越來越高,當(dāng)虛警概率為5%時(shí),檢測概率能達(dá)到90%以上。

圖6 欺騙檢測ROC曲線(欺騙信噪比13 dB)

圖7示出了真實(shí)信號信噪比為10dB,欺騙信號為14dB,自由度分別為1、3、5時(shí),虛警概率與檢測概率之間的關(guān)系。從圖中可以看出,欺騙信號信噪比高于真實(shí)信號4dB,當(dāng)虛警概率為0.7%時(shí),檢測概率能達(dá)到95%以上;

結(jié)合圖6、圖7可以看出,在接收機(jī)相關(guān)值后積累次數(shù)、虛警概率相同的情況下,隨著欺騙信號信噪比的增加,欺騙信號的檢測概率越來越高。

圖7 欺騙檢測ROC曲線(欺騙信噪比14 dB)

綜上,隨著接收機(jī)相關(guān)值后積累次數(shù)以及欺騙信號相對于真實(shí)信號功率強(qiáng)度的增加,本文所給出的欺騙信號檢測算法檢測概率越高,當(dāng)干擾方欺騙信號功率高于真實(shí)信號功率3dB時(shí),可在5%的虛警概率下實(shí)現(xiàn)90%以上的檢測概率性能;當(dāng)干擾方欺騙信號功率高于真實(shí)信號功率4dB時(shí),在0.7%的虛警概率下實(shí)現(xiàn)95%以上的檢測概率性能。

4 結(jié)束語

本文針對BOC調(diào)制接收機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾“多峰+功率”協(xié)同檢測技術(shù)進(jìn)行了研究,該方法不需要增加接收機(jī)的硬件設(shè)施,只需要在軟件接收機(jī)信號處理部分加入相應(yīng)模塊即可進(jìn)行欺騙檢測,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。但文中是假設(shè)在干擾方不使用壓制干擾的情況,通常,干擾方會使用“壓制+欺騙”干擾模式實(shí)施欺騙,壓制干擾造成接收機(jī)噪底抬高,經(jīng)過射頻前端AGC調(diào)控后,捕獲時(shí)同樣只會出現(xiàn)一個(gè)峰,此時(shí)無法辨別該峰是欺騙信號還是真實(shí)信號。在下一步工作中需要對上述問題進(jìn)行分析。

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A Repeater Spoofing Signal Detection Algorithm in GNSS Acquisition Period of BOC Modulation Receiver

WANG Zhiying,NIE Junwei,LI Zhengrong,SUN Guangfu

(SchoolofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

For repeater spoofing signal detection in GNSS acquisition period of BOC modulation, this paper puts forward a detection algorithm based on the numbers of correlation peaks and the power of signals. This paper firstly utilizes the relationship between the numbers of correlation peaks and the presence of spoofing signals. Secondly, make the detection model of spoofing signal’s power higher than the authentic signal’s power. Thirdly, this paper gives the calculation manner of judgment threshold and ROC curve. Finally, meet the requirement of detecting the spoofing signals. Simulation results show that the more times of the receiver’s correlation accumulation and the more improvement of the authentic signal’s power, the higher detection probability the method provides. Under the circumstance of the spoofing signal’s power 4dB higher than the authentic signal’s power while the 0.7% of false alarm probability, the detection probability can reach up to more than 95% which proves significant ability to detect spoofing signals in acquisition period.

GNSS; repeater spoofing; BOC

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.003

2016-08-15

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0013-05

王芝應(yīng) (1991-),男,四川達(dá)州人,碩士生,主要研究方向?yàn)镚NSS抗欺騙干擾。

聶俊偉 (1983-),男,山西忻州人,博士,講師,主要研究方向?yàn)镚NSS抗干擾。

李崢嶸 (1970-),男,湖南湘潭人,副研究員,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航對抗技術(shù)。

孫廣富 (1970-),男,黑龍江巴彥人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號接收技術(shù)。

聯(lián)系人： 王芝應(yīng) E-mail: wangzhiying8235@163.com