基于功率變化的移動終端欺騙干擾檢測方法

范廣騰, 冉德超, 張飛, 庹洲慧

(軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院,北京 100071)

0 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶數(shù)量正不斷增加,并且已大量進(jìn)入社會關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,比如緊急救援、電力、通信、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域．由于目前的導(dǎo)航接收機完全信任所接收到的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)信號,因此任何組織、個人都可以通過發(fā)射虛假的欺騙干擾信號使接收機得出錯誤的定時定位信息,從而癱瘓諸如電力系統(tǒng)、銀行金融系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等社會關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,甚至在軍事應(yīng)用中改變敵方無人機、導(dǎo)彈等自主導(dǎo)航載體的運動軌跡,使其到達(dá)欺騙干擾方指定的位置[1]．如何對敵方實施有效的欺騙干擾攻擊以及保護(hù)己方導(dǎo)航接收機不受欺騙干擾影響,以滿足強對抗條件下的導(dǎo)航戰(zhàn)的需求,是GNSS領(lǐng)域的一大研究熱點[2]．

目前現(xiàn)有文獻(xiàn)都是針對欺騙信號與真實信號在某一特定屬性上的區(qū)別進(jìn)行設(shè)計．這些屬性包括信號到達(dá)角[3]、偽距[4]、信號載噪比[5]、信號功率[6]、導(dǎo)航電文[7]等．其中信號功率是區(qū)別真實信號與欺騙信號的重要屬性[6],現(xiàn)有利用信號功率進(jìn)行欺騙信號檢測的方法,只是通過接收信號的絕對功率大小進(jìn)行判斷,高級的欺騙源可以根據(jù)被欺騙終端的位置調(diào)整發(fā)射功率,從而實現(xiàn)環(huán)形范圍內(nèi),所有導(dǎo)航終端無法通過功率大小檢測判斷欺騙信號．

針對該問題,本文給出了一種基于信號功率變化的欺騙信號檢測方法．該方法利用現(xiàn)有的欺騙信號生成器與真實導(dǎo)航衛(wèi)星在距離屬性上的本質(zhì)差別,移動終端在接收真實信號時功率變化較小,而接收欺騙信號時功率變化較大,從而通過檢測功率變化值,實現(xiàn)對欺騙信號的有效檢測．該方法理論上,可以檢測所有距離較近的欺騙干擾源,大大增加了欺騙干擾的難度．

1 針對功率檢測的欺騙信號生成

目前基于信號功率檢測的欺騙干擾檢測方法,已經(jīng)廣泛運用于導(dǎo)航接收機中,因此欺騙者為實現(xiàn)一次成功的欺騙干擾,必須通過信號功率檢測．高級的欺騙者可以根據(jù)需要欺騙的區(qū)域,調(diào)整發(fā)射信號功率,從而使終端接受到的欺騙信號功率在檢測門限以內(nèi)[8-9]．

假設(shè)導(dǎo)航接收機功率檢測門限的上限為Pu,下限為Pl,那么欺騙信號可成功欺騙的區(qū)域為圓環(huán)形,即欺騙半徑Rl

由圖 1可知,采用信號功率檢測方法后,欺騙成功率變?yōu)棣?即:

(1)

因此,由上面分析可知,即便使用功率檢測的欺騙檢測方法,欺騙生成器通過設(shè)置合理的發(fā)射功率,仍然可以欺騙圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)航終端[8]．

2 基于信號功率變化的檢測方法

真實導(dǎo)航衛(wèi)星與欺騙干擾源的本質(zhì)區(qū)別是到達(dá)導(dǎo)航接收機的距離不同,導(dǎo)航衛(wèi)星為中圓地球軌道(MEO)以上軌道衛(wèi)星,距離接收機20 000 km以上;而欺騙干擾源距離接收機通常為1～10 km,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實導(dǎo)航衛(wèi)星,如圖 2所示．

圖2 終端接收真實信號與欺騙信號的幾何關(guān)系

(2)

(3)

令功率變化的比值為檢測量δ,根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知,在接收真實衛(wèi)星信號(假設(shè)H0)以及欺騙干擾信號(假設(shè)H1)條件下δ的概率分布為

(4)

式中：x為功率變化比值的觀測量；σ為功率變化比值的均方差；檢測量均值μ(l,r,θ)是欺騙干擾源到終端距離l,接收機運動距離r以及運動方向夾角θ的函數(shù)

(5)

由圖3可以看出,檢測量均值越大,欺騙信號檢測的成功率越高,圖4～6示出了不同情況下的檢測量均值,可以看出,基于信號功率變化的移動終端欺騙干擾檢測方法對欺騙干擾的檢測性能與欺騙源到終端距離l,終端位移距離r和欺騙信號的入射角θ有關(guān)．當(dāng)H1條件下檢驗統(tǒng)計量的均值越大,其概率密度分布函數(shù)與H0條件下間隔越大,欺騙干擾檢測性能越好．

圖3 接收真實信號(H0)和欺騙信號(H1)下的概率分布

圖4 H1條件下檢測量均值與欺騙源到終端距離的關(guān)系

圖5 H1條件下檢測量均值與終端運動距離的關(guān)系

圖6 H1條件下檢測量均值與夾角的關(guān)系

3 性能分析

針對不同的欺騙源到接收機距離,接收機位移距離和欺騙信號的入射角,進(jìn)行蒙特卡洛仿真驗證．每種條件下,仿真次數(shù)為10 000次,得到基于信號功率變化的移動終端欺騙干擾檢測方法的ROC曲線如圖7～9所示．

圖7 不同欺騙源距離的ROC曲線

圖8 不同終端運動距離的ROC曲線

圖9 不同運動方向下的ROC曲線

根據(jù)圖7～9的仿真結(jié)果,令虛警概率為5%,則不同參數(shù)下的檢測概率如表1所示.

表1 不同參數(shù)下的檢測概率

由圖9和表1可以看出:

1) 欺騙源距離終端越近,基于信號功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu);

2) 終端運動距離越遠(yuǎn),基于信號功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu);

3) 欺騙信號入射方向與終端運動方向夾角越小,基于信號功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu)．

4) 當(dāng)終端運動距離超過200 m,可以有效檢測2 km范圍內(nèi)的欺騙源．

以上結(jié)論與第2節(jié)中理論分析結(jié)論一致．

為進(jìn)一步說明基于功率變化的移動終端欺騙干擾檢測方法相比與傳統(tǒng)基于絕對功率的檢測方法的優(yōu)勢,下面通過仿真比較在不同欺騙源發(fā)射功率下,仿真參數(shù)如表2所示,兩種方法的檢測概率如圖10所示.

圖10 不同運動方向下的ROC曲線

表2 仿真參數(shù)

由圖10可知,傳統(tǒng)基于絕對功率的欺騙干擾檢測方法當(dāng)欺騙信號相比真實信號高出2.5 dB以上時,可以得到90%以上的檢測概率,但當(dāng)欺騙信號與真實信號功率比較接近時,檢測性能急劇惡化,而基于功率變化的移動終端欺騙干擾檢測方法的檢測性能與欺騙信號的絕對功率無關(guān),只要移動終端運動較長距離即可獲得95%以上的檢測性能．

4 結(jié)束語

針對運動狀態(tài)下的導(dǎo)航終端,本文提出了一種通過檢測終端接收導(dǎo)航信號功率變化進(jìn)行欺騙干擾檢測的方法．理論分析和仿真實驗結(jié)果表明,只要干擾源距離終端小于2000 m,天線運動距離大于200 m,欺騙信號與終端運動方向夾角滿足正負(fù)45°內(nèi)的條件,本文提出的基于信號功率變化的欺騙干擾檢測算法即可在1%的虛警概率下實現(xiàn)對97%以上欺騙攻擊有效檢測,該方法可以有效解決只利用信號功率大小進(jìn)行欺騙信號檢測的局限性．