衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)探究

伍俊，戴志春

（湖南衛(wèi)導(dǎo)信息科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410005）

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)基本原理

為更好的解讀欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，我們首先對(duì)欺騙信號(hào)的生產(chǎn)簡(jiǎn)單說明。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)欺騙信號(hào)一般分為轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙方法和生成式欺騙方法。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙方式是指欺騙裝置接收到衛(wèi)星發(fā)射的真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)后，經(jīng)過延時(shí)、功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)至用戶的方式。由于轉(zhuǎn)發(fā)式產(chǎn)生欺騙信號(hào)不能改變衛(wèi)星定位的真實(shí)信息內(nèi)容，只能對(duì)功率和延時(shí)進(jìn)行改變，因此，這種方式易于被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。生成式欺騙方式，則不需要接受衛(wèi)星真實(shí)信號(hào)，而是自主產(chǎn)生欺騙信號(hào)。對(duì)這種方式，顯然不僅存在欺騙信號(hào)的功率變化、延時(shí)，最主要的是對(duì)導(dǎo)航定位信息的內(nèi)容進(jìn)行改變，達(dá)到嚴(yán)重后果的欺騙方式。這種欺騙方式往往要采取多種算法和比較方式對(duì)欺騙信息進(jìn)行甄別和消除。但無論哪種方式，傳播距離、空間特性、設(shè)備特性的不同，欺騙信號(hào)的功率、進(jìn)入角、延時(shí)以及碼同步，加密等多方面都會(huì)與真實(shí)信號(hào)有所不同。

目前對(duì)欺騙信號(hào)的甄別主要是對(duì)信號(hào)的幾個(gè)方面特性進(jìn)行檢測(cè)比較?？偨Y(jié)歸納起來，分別為信號(hào)功率檢測(cè)、信號(hào)來向檢測(cè)、信號(hào)延時(shí)檢測(cè)，以及其他方面的檢測(cè)。

1.1 信號(hào)功率檢測(cè)

由于欺騙信號(hào)相較真實(shí)信號(hào)而言，往往存在信號(hào)峰值的不同，又因?yàn)樵O(shè)備的移動(dòng)，造成信號(hào)功率隨運(yùn)動(dòng)變化值有所不同，還有就是信號(hào)功率與噪聲功率的變化導(dǎo)致欺騙信號(hào)的載噪比有所不同，這在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)的應(yīng)用上表現(xiàn)得較為明顯。

（1）信號(hào)峰值檢測(cè)方式。對(duì)于地面接收裝置而言，所接收到的信號(hào)功率較低。欺騙信號(hào)要使接收設(shè)備接收到錯(cuò)誤的信號(hào)，其功率要大于真實(shí)信號(hào)的功率。因此，設(shè)置合理的功率上限值，對(duì)于超出這一上限值的可以判定為欺騙信號(hào)。

（2）跟蹤信號(hào)值檢測(cè)方式。導(dǎo)航衛(wèi)星與接收設(shè)備較遠(yuǎn)，而欺騙信號(hào)的發(fā)射源在地面，與接收設(shè)備較近。相比較而言，相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的變化，肯定是衛(wèi)星與接收設(shè)備的距離變化引起的功率變化較小，而欺騙設(shè)備與接收設(shè)備的距離變化會(huì)導(dǎo)致功率發(fā)生較大的變化。通過跟蹤信號(hào)值的變化劇烈程度，可以檢測(cè)識(shí)別欺騙信號(hào)。

（3）載噪比檢測(cè)方式。載噪比指的是信號(hào)功率與噪聲功率的比值，是反應(yīng)信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由于GNSS載噪比受到噪聲和其他信號(hào)的影響，通過統(tǒng)計(jì)分析可知，真實(shí)信號(hào)的載噪比要小于欺騙信號(hào)的載噪比，通過載噪比分布，可以形成載噪比欺騙檢測(cè)的算法。具體原理詳見參看文獻(xiàn)。

簡(jiǎn)而言之，利用信號(hào)功率的峰值檢測(cè)、跟蹤信號(hào)值檢測(cè)，以及信噪比檢測(cè)計(jì)算，可以對(duì)GNSS欺騙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，真實(shí)信號(hào)的這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一般都會(huì)小于欺騙信號(hào)，因此，通過設(shè)定真實(shí)信號(hào)的功率、跟蹤信號(hào)值以及載噪比的門限值。通過信號(hào)接收設(shè)備的判讀條件，來判定接收信息是否為欺騙信號(hào)。

信號(hào)功率檢測(cè)技術(shù)較為簡(jiǎn)單，便于實(shí)施。但正因?yàn)槠浜?jiǎn)單，所以自主產(chǎn)生式欺騙信號(hào)發(fā)射裝置能很好的模擬真實(shí)信號(hào)，對(duì)于以功率檢測(cè)為主的接收裝置，效果一般。

1.2 信號(hào)來向檢測(cè)

當(dāng)前GNSS欺騙信號(hào)的發(fā)射源，往往是從單一設(shè)備進(jìn)行的發(fā)射，因此，不同欺騙信號(hào)只要是從同一欺騙設(shè)備進(jìn)行的發(fā)送，其到達(dá)接收設(shè)備的方向肯定一致。而受到地球自傳、衛(wèi)星公轉(zhuǎn)以及其他空間影響所造成的變化，導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星的真實(shí)信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備的方向角會(huì)有所不同。利用這一特性，對(duì)欺騙信號(hào)的來向與衛(wèi)星真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，從而發(fā)現(xiàn)并排除欺騙信號(hào)。也是一種非常有效的欺騙信號(hào)識(shí)別方法。

信號(hào)來向檢測(cè)技術(shù)，對(duì)自主產(chǎn)生式欺騙方式和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙方式產(chǎn)生的欺騙信號(hào)都有較強(qiáng)的檢測(cè)能力，是效果較好的欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，但由于要區(qū)分不同衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)源方向問題，所以一般要求接收裝置要有多天線系統(tǒng)。因此，接收裝置的成本較高。

1.3 信號(hào)延時(shí)檢測(cè)

信號(hào)延時(shí)檢測(cè)方式，就是利用欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)在傳輸上的延時(shí)差異進(jìn)行檢測(cè)。但真實(shí)的情況更復(fù)雜，由于GNSS系統(tǒng)信號(hào)的載波頻率和偽碼速率不同，接收設(shè)備和衛(wèi)星設(shè)備之間，受到地球自傳、衛(wèi)星公轉(zhuǎn)以及空間環(huán)境的影響而產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)存在多普勒效應(yīng)，衛(wèi)星和接收設(shè)備的時(shí)鐘漂移會(huì)造成頻率的偏差。信號(hào)載波頻率以及偽碼率都會(huì)產(chǎn)生多普勒偏移效應(yīng)，兩者的多普勒偏移具有本質(zhì)上的相同。而顯然，這些復(fù)雜的變化并不會(huì)在欺騙信號(hào)中產(chǎn)生，或者其模擬的欺騙信號(hào)的復(fù)雜性無法與真實(shí)信號(hào)相比擬。因此，可以設(shè)計(jì)一種針對(duì)多普勒偏移是否一致的方式進(jìn)行計(jì)算，從而檢測(cè)欺騙信息的存在與否。這就是信號(hào)延時(shí)檢測(cè)原理。

信號(hào)延時(shí)檢測(cè)技術(shù)是在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙的條件下，利用欺騙信號(hào)較真實(shí)信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備有延時(shí)的特性進(jìn)行的檢測(cè)。因此，針對(duì)自主產(chǎn)生式欺騙信號(hào)則沒有甄別能力，特別是自主產(chǎn)生式欺騙信號(hào)提前到達(dá)的情況下，有可能造成接收裝置將欺騙信號(hào)當(dāng)成真實(shí)信號(hào)，而將真實(shí)信號(hào)當(dāng)成欺騙信號(hào)的情況發(fā)生。

1.4 殘留信號(hào)檢測(cè)

殘留信號(hào)主要是指被欺騙信號(hào)所抑制或抵消的真實(shí)信號(hào)后所殘留的信息，這主要是針對(duì)欺騙信號(hào)發(fā)射裝置無法有效的抑制導(dǎo)航衛(wèi)星真實(shí)信號(hào)。欺騙信號(hào)發(fā)射設(shè)備要想完全抑制導(dǎo)航衛(wèi)星真實(shí)信號(hào)，需要在接收設(shè)備位置產(chǎn)生能抵消真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的欺騙信號(hào)。因此，欺騙信號(hào)必須與真實(shí)信號(hào)在接收位置處的波形相反、相位相同、頻率一致。而根據(jù)有關(guān)測(cè)算可知，欺騙信號(hào)要將真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)完全抑制，至少要達(dá)到在接收設(shè)備處產(chǎn)生相位偏差不超過5%的載波周期，要達(dá)到如此高精度，目前欺騙信號(hào)發(fā)射設(shè)備在實(shí)際運(yùn)用中幾乎無法達(dá)到。因此，正是運(yùn)用這種原理，采取對(duì)殘留信息的檢測(cè)，并對(duì)此殘留信息進(jìn)行不斷跟蹤確認(rèn)，最終確認(rèn)欺騙信號(hào)的存在。

殘留信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用效果較好，是抑制欺騙信號(hào)的有效手段。但需要增加其他種類的導(dǎo)航傳感器，使得系統(tǒng)的軟硬件更為復(fù)雜。

1.5 電文加密認(rèn)證檢測(cè)

由于自主產(chǎn)生式欺騙信息并不接收真實(shí)導(dǎo)航信息，而是自主產(chǎn)生與真實(shí)信息類似的導(dǎo)航信息發(fā)送給接收者。因此，可以設(shè)計(jì)對(duì)真實(shí)電文信息進(jìn)行加密的方式來防止欺騙信息。這種方式較為簡(jiǎn)單有效，目前，很多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，都有信息電文的加密預(yù)留字節(jié)，這些預(yù)留字節(jié)加入電文加密認(rèn)證后，使得接收設(shè)備能夠準(zhǔn)確的區(qū)分真實(shí)微信信號(hào)和欺騙信號(hào)。而通過不定期更換秘鑰，可有效防止密碼破解。

經(jīng)有關(guān)研究，導(dǎo)航信息加密認(rèn)證技術(shù)，能夠有效的抵御衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙信息，但實(shí)施上還有一定難度，因?yàn)檫@需要從國家層面對(duì)整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制進(jìn)行更改，因此，其實(shí)施難度相對(duì)較大。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的比較

針對(duì)自主產(chǎn)生式欺騙技術(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙技術(shù)各自的特點(diǎn)，近年來研究了多種檢測(cè)技術(shù)，上文中已經(jīng)進(jìn)行了闡述。而針對(duì)不同的欺騙信息方式，欺騙信號(hào)的強(qiáng)度不同，技術(shù)復(fù)雜性不同，其檢測(cè)技術(shù)所針對(duì)的有所不同。檢測(cè)性能較高，且對(duì)多樣性欺騙信息技術(shù)的抑制能力較強(qiáng)的反欺騙信息技術(shù)主要有，信息來向檢測(cè)技術(shù)，信息加密認(rèn)證技術(shù)、殘留信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

信息來向檢測(cè)技術(shù)和殘留信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于其他檢測(cè)方法而言，原理簡(jiǎn)單，方法可靠，但都需要添加設(shè)備，使得軟硬件設(shè)備更加復(fù)雜。因此，其使用范圍有限。

信息加密認(rèn)證技術(shù)，同樣原理簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求并不復(fù)雜，但需要修改衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)結(jié)構(gòu)，這使得短期內(nèi)的應(yīng)用較為困難。

至于信號(hào)功率檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)延時(shí)檢測(cè)技術(shù)，雖然可靠性一般，應(yīng)用場(chǎng)景較少，但技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，也無需增添設(shè)備，因此，大量應(yīng)用于對(duì)加密信號(hào)要求不高的企業(yè)和個(gè)人。

3 結(jié)束語

在GNSS系統(tǒng)已全面影響到社會(huì)民生和國防安全的今天，欺騙信號(hào)技術(shù)和反欺騙信號(hào)技術(shù)也都在不斷發(fā)展，可以說沒有一種欺騙信號(hào)技術(shù)能夠不被各種檢測(cè)技術(shù)所發(fā)現(xiàn)，也沒有一種檢測(cè)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)所有類型的欺騙信號(hào)。通過對(duì)各種欺騙信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的探究，可以發(fā)現(xiàn)各種信號(hào)的優(yōu)劣，并據(jù)此在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中得到有效的選擇。針對(duì)重要領(lǐng)域可以采用投入大但效果好的信號(hào)來向檢測(cè)技術(shù)、殘留信息檢測(cè)技術(shù)等，而對(duì)于非重要領(lǐng)域，則可以采取投入小的信號(hào)功率檢測(cè)技術(shù)、延時(shí)檢測(cè)技術(shù)等。