衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙及檢測（二）：基于接收機改進的欺騙檢測

張倫東，張 超，高揚駿

（信息工程大學(xué)，鄭州 450001）

0 引言

導(dǎo)航欺騙的主要目的是使目標接收機在不知情的情況下得到虛假的速度、位置或時間等導(dǎo)航信息，如果能快速準確地檢測出衛(wèi)星導(dǎo)航欺騙，則可打破敵方的第一企圖[1]。在過去的十幾年里，很多學(xué)者對導(dǎo)航欺騙檢測技術(shù)進行了研究，提出了多種多樣的檢測方法。文獻[2]進行了歸納，將其分為導(dǎo)航信號加密、使用附加信號特性的高級接收機自主完好性檢測、添加導(dǎo)航消息認證位，以及利用欺騙信號和真實信號在空間幾何上的差異等4 類。導(dǎo)航欺騙是基于對導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)的了解，生成或轉(zhuǎn)發(fā)虛假的欺騙信號，對目標接收機進行欺騙。如果能夠?qū)πl(wèi)星發(fā)射的信號進行加密或者提供消息位認證，則在源頭上可以很大程度阻止或檢測出欺騙行為。此外，欺騙信號與真實信號在特征上總會有差別，可以根據(jù)不同的特征，在接收機端進行信號和數(shù)據(jù)處理的過程中對欺騙信號進行檢測。另外，在導(dǎo)航結(jié)果方面，由于接收機的導(dǎo)航結(jié)果是虛假的，如果有其他輔助導(dǎo)航手段，則它們之間肯定不一致，因此也可采用其他輔助手段進行欺騙檢測。

本文主要介紹導(dǎo)航信號加密認證和基于信號特征的欺騙檢測技術(shù)的研究動態(tài)，包括擴頻碼加密、導(dǎo)航消息身份驗證，以及基于信號功率、多普勒頻移一致性檢查、信號質(zhì)量監(jiān)測、信號空間處理等技術(shù)，最后對相關(guān)研究進行總結(jié)和探討。由于這些技術(shù)都需要對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機進行硬件或軟件方面的改進，才能有效地對導(dǎo)航欺騙進行檢測，所以本文將其統(tǒng)一稱為基于接收機改進的欺騙檢測。

1 基于導(dǎo)航信號加密認證的欺騙檢測研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

這類技術(shù)，一種是類似于軍用信號，對民用信號也進行擴頻碼加密，這樣一方面可以使欺騙實施起來非常困難，另一方面只要密鑰不被破解，也可對欺騙進行檢測；另一種是在導(dǎo)航消息中添加驗證位，只有驗證碼正確的才能提供服務(wù)；此外，二者也可結(jié)合，使欺騙實施更加困難。

1.1 擴頻碼加密

擴頻碼加密是采用密碼技術(shù)，在衛(wèi)星發(fā)射的碼信號上調(diào)制一個加密的安全碼（稱為密鑰）。衛(wèi)星端和接收機端都有密鑰的副本，可以用來對信號進行解調(diào)，這種技術(shù)多用于軍事用途；然而，為了阻止欺騙攻擊，有學(xué)者也將其應(yīng)用于民用信號[3]。文獻[4]提出了一種基于短周期信息隱藏的延遲對稱密鑰加密方法，該方法使用短序列擴頻安全碼修改導(dǎo)航信號，接收機使用已知部分來跟蹤信號，對未知部分進行記錄。密鑰在延遲后傳輸，用于合成未知的擴頻碼，接收機將該碼部分與記錄的信號部分相關(guān)聯(lián)，以驗證信號的真實性，檢測和阻止欺騙。但是，這種方法需要等待密鑰，可能會有幾秒到幾分鐘的延遲。文獻[5]提出了一種利用超音速碼加密民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）信號的新方案，該方案將超音速碼與擴頻碼的分組密碼加密相結(jié)合，使用碼移鍵控調(diào)制解調(diào)接收機處的加密擴頻碼。結(jié)果表明，采用超音速碼的民用信號具有較好的抗欺騙性能和較低的認證延遲。為了檢測欺騙，接收機需要密鑰信息，為了不將密鑰分發(fā)給民用接收機，文獻[6]提出利用開放服務(wù)的民用擴頻碼與加密的軍碼之間的正交關(guān)系，民用接收機記錄加密代碼的噪聲基帶版本，已知是安全的參考接收機通過通信鏈路將加密代碼傳輸給民用接收機，然后進行交叉相關(guān)。如果相關(guān)峰值很高，則聲明信號是真實的；否則，將發(fā)出欺騙警報。邊少峰教授[1]稱其為無碼相關(guān)技術(shù)，這種技術(shù)無須改變現(xiàn)有的信號體制，但其前提是欺騙信號只對民用信號實施攻擊，并且參考接收機安全可靠。可見，這些方法，要么需要改變標準信號協(xié)議，要么需要通信網(wǎng)絡(luò)和安全的接收機，另外還需要配套的接收機或?qū)邮諜C進行修改，因此擴頻碼加密主要在特殊的應(yīng)用場合進行應(yīng)用，或者在新的服務(wù)領(lǐng)域進行應(yīng)用，在大眾領(lǐng)域還很難做到大規(guī)模的應(yīng)用。

1.2 導(dǎo)航消息身份驗證

在導(dǎo)航信息中，使用加密算法周期性地嵌入數(shù)字簽名或?qū)Ш津炞C碼，接收機使用解密算法解密認證信息，驗證導(dǎo)航信息的真實性，進而可以抵抗欺騙攻擊或?qū)ζ垓_進行檢測，這種方式稱為導(dǎo)航消息身份驗證[7]。為了安全可靠，可對整個導(dǎo)航消息都進行加密，但這需要更改導(dǎo)航信號的接口規(guī)范，給應(yīng)用帶來了很大困難，很難進行實際應(yīng)用[8]。文獻[9]等指出，對于導(dǎo)航消息身份認證來說，如果只對認證的接收機提供額外的安全性收費，而不影響未經(jīng)認證的接收機讀取導(dǎo)航消息，這樣比較切合實際應(yīng)用。想要不影響未經(jīng)認證的接收機，則加密的導(dǎo)航消息比例必須相對較小，一般不應(yīng)超過10%。另外，對簽名進行解密不應(yīng)給接收機來帶太大的負擔(dān)。文獻[8]認為，為了阻止重放攻擊，接收機每5 min 左右的時間需要進行1 次身份驗證，因此，數(shù)字簽名不應(yīng)太長，建議使用橢圓曲線簽名算法，在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙場景下，在虛警概率為0.1%的情況下，能夠檢測出欺騙的概率大于97%。針對日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system,QZSS）信號，文獻[10]提出使用導(dǎo)航消息的一部分生成參考認證導(dǎo)航數(shù)據(jù)，采用基于H 矩陣的低密度奇偶校驗（low density parity check,LDPC）編碼對參考認證導(dǎo)航數(shù)據(jù)進一步編碼，生成簽名數(shù)據(jù)，然后進行廣播。接收機根據(jù)參考認證導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信息，從認證數(shù)據(jù)中心獲取相應(yīng)的H矩陣等數(shù)據(jù)進行解碼，這種簽名數(shù)據(jù)每6 s 至少廣播1 次，縮短了響應(yīng)時間。文獻[11]針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system,BDS-2）導(dǎo)航信息的認證，提出利用橢圓曲線數(shù)字簽名算法生成數(shù)字簽名，并插入到BDS-2 導(dǎo)航信息的預(yù)留位中，通過短消息服務(wù)或數(shù)字證書設(shè)計了密鑰交換過程。仿真結(jié)果表明，該方案能夠在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)BDS-2 導(dǎo)航信息的認證，增強了民用BDS-2的抗欺騙能力。

擴頻碼加密和導(dǎo)航消息身份認證都能在一定程度上抵抗或檢測欺騙，也可將二者結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。如文獻[12]提出一種基于BDS-2衛(wèi)星導(dǎo)航報文的反欺騙方法，該方法使用分組密碼算法（SM4）來加密驗證消息，用非對稱加密算法（SM2）和密碼雜湊算法（SM3）生成簽名。同時，利用擴頻調(diào)制技術(shù)將其隱藏在導(dǎo)航信息中。結(jié)果表明：該方案可以成功地檢測到“單星欺騙攻擊”，并且加密驗證時間對導(dǎo)航系統(tǒng)的運行沒有太大影響。

大多數(shù)導(dǎo)航信號加密認證都需要對導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)進行一些修改，或者對接收機進行一定的改進，所以這種方法一般在特定服務(wù)或增值服務(wù)中應(yīng)用，并沒有在大眾應(yīng)用中推廣。

2 基于信號特征的欺騙檢測研究動態(tài)

在計算導(dǎo)航結(jié)果之前，接收機需要對天線接收的信號進行放大，下變頻，通過自動增益控制調(diào)整信號強度，再經(jīng)歷數(shù)字變換，利用本地碼和計算出的多普勒頻移分離各個衛(wèi)星信號等一系列操作[13]。欺騙信號與真實信號在某些特征上總會有所區(qū)別，在接收機對信號處理的過程中，可以基于這些不同的特征對欺騙信號進行檢測，進而抑制或消除欺騙信號。

2.1 基于信號功率的欺騙檢測

衛(wèi)星導(dǎo)航信號傳播到地面時，信號強度已十分微弱，如全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）L1的信號強度在-160～-153 dB·W 之間合理變化。為了讓接收機鎖定到欺騙信號上，欺騙信號的功率要略高于真實信號的功率。由于欺騙器與目標接收機之間的路徑損耗較難估計，欺騙器一般都會發(fā)射相對較大的功率。如果接收機能夠準確檢測絕對接收功率，則可有效檢測出欺騙，這種方法稱為絕對功率監(jiān)測[14]。文獻[15]認為雖然使用絕對功率可以顯著降低接收機的欺騙漏洞，但這種方法要求接收機能夠在一定精度水平內(nèi)測量接收信號的絕對幅度，會增加接收機的硬件復(fù)雜度。文獻[16]指出由自動增益控制（automatic gain control,AGC）器提供原始接收功率，是一種可靠的欺騙檢測方法。但是，除非是在AGC 控制器中檢測到接收功率的變化[17]，否則AGC 也可能會改變接收功率[13]。另外，導(dǎo)航信號的功率變化范圍較大，特別是在特殊情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)還會對信號進行功率增強，這給絕對功率檢測帶來了一定的困難。因此這種技術(shù)多與其他技術(shù)一起使用[17]。

多數(shù)接收機會采用載噪比C/N0作為評價信號質(zhì)量的一個重要參數(shù)。當(dāng)接收機受到欺騙時，載噪比可能會發(fā)生突然的變化，因此接收機可以實時監(jiān)測載噪比，尋找欺騙攻擊的異常變化[18-20]。接收的信號功率與信號在空間的傳播距離有關(guān)。對于真實的導(dǎo)航信號，由于都來自2 萬多千米高空的衛(wèi)星，接收的C/N0不會發(fā)生顯著變化。如果欺騙信號從同一個天線發(fā)射，也可采用目標接收機天線相對欺騙發(fā)射天線移動，當(dāng)二者相距較近時，比較小的相對移動都會使C/N0發(fā)生顯著變化[14]。但是文獻[21]認為如果一個欺騙信號被解擴，其相應(yīng)的C/N0測量值將在正常的范圍內(nèi)，這樣可有效地誤導(dǎo)基于C/N0監(jiān)控的欺騙檢測技術(shù)。也就是說如果接收機能夠鎖定欺騙信號，此時C/N0值是正常的，否則欺騙就不會成功實施，因此他認為這種檢測方法的有效性有待進一步檢驗。

2.2 基于多普勒頻移等一致性檢查的欺騙檢測

接收機相對衛(wèi)星運動，產(chǎn)生多普勒頻移?？筛鶕?jù)接收機的高度和速度估計多普勒頻移的變化[22]。如果接收機遇到欺騙攻擊，則多普勒頻移的變化會發(fā)生異常，所以可以根據(jù)多普勒頻移的歷史數(shù)據(jù)對欺騙進行檢測[23-24]。但是，文獻[25]指出基于多普勒頻移檢測欺騙攻擊的閾值并不容易確定，這是因為閾值不僅與接收機運動的速度有關(guān)，還與欺騙環(huán)境有關(guān)。

由于都受到接收機和衛(wèi)星之間相對運動的影響，在真實信號下，多普勒頻率和碼延遲率是一致的。簡單的欺騙器可能無法保持二者之間的一致性[14]，所以可以通過檢測二者的一致性來對欺騙進行檢測。文獻[26]指出，即使復(fù)雜的欺騙器也需要定期對多普勒頻率進行控制，這必然會留下相關(guān)的記錄，可以用來檢測欺騙攻擊。

此外，每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信息中都含有與其他衛(wèi)星位置相對應(yīng)的星歷信息，可以檢查這些星歷數(shù)據(jù)之間的一致性，如果不一致則可能會存在欺騙攻擊[14]。每個隨機碼信號的導(dǎo)航信息中也都包含時鐘信息，從整個星座中不同衛(wèi)星獲得的時鐘應(yīng)該一致，如果提取的時鐘不一致，也可檢測出欺騙[27-28]。

2.3 基于信號質(zhì)量監(jiān)測的欺騙檢測

信號質(zhì)量監(jiān)測（signal quality monitoring,SQM）方法利用監(jiān)測相關(guān)器來識別跟蹤輸出相關(guān)峰包絡(luò)的異常尖銳、平坦或不對稱[29-30]，可檢測GNSS 信號中的失真和異常，此方法已成功應(yīng)用于多路徑信號的監(jiān)測[31-32]。欺騙信號對接收機的影響與多路徑信號類似，因此，在無多徑或多徑比較弱的環(huán)境中，可以采用SQM的方法對欺騙攻擊進行檢測[33-34]。

在基于SQM的欺騙檢測中，通常采用斜率（ratio）和增量（delta）指標監(jiān)視信號相關(guān)峰可能的失真和異常。文獻[35]深入分析了斜率測試的性能，提出了一種用于評估虛警和檢測概率的數(shù)學(xué)模型，在開闊環(huán)境中，能夠有效檢測出導(dǎo)航欺騙。文獻[36-37]除了采用斜率指標外，還采用了增量用于檢測導(dǎo)航欺騙，進而提高欺騙的檢測效果。斜率指標描述了相關(guān)峰的扭曲；增量指標描述了相關(guān)峰的非對稱性；此外，為了進一步細化，還可采用雙差指標[36]。這些指標在理論和實踐上都非常簡單，為了克服單一指標的不足，可以將多個指標聯(lián)合使用。文獻[38]提出了多個SQM 指標進行欺騙檢測的方法，并根據(jù)這些指標計算了適當(dāng)?shù)臋z測閾值，但是，檢測閾值會隨欺騙環(huán)境的變化而改變。文獻[39]研究了多尺度聯(lián)合檢測技術(shù)，將各種SQM 指標組合成一個復(fù)合指標來檢測欺騙攻擊。文獻[40]建立了新的信號質(zhì)量評估模型，該模型基于欺騙信號和真實信號的總信號能量測量，并且模型不依賴于用戶接收機的移動，也不依賴于所有欺騙信號都應(yīng)該來自同一個發(fā)射天線的假設(shè)，簡單有效。但是，多徑信號的影響會使該方法的檢測性能下降。

SQM 技術(shù)是檢測欺騙攻擊的有力手段，特別是在視線傳播環(huán)境中，可以在跟蹤段識別欺騙攻擊。然而，存在多徑的情況下，該方法檢測性能有所下降。針對多徑環(huán)境下欺騙檢測性能下降的問題，文獻[41]等提出了一種基于多相關(guān)器的斜率檢測方法，利用內(nèi)曼-皮爾遜（Neyman-Pearso）準則合理確定檢測門限進行解決。欺騙信號與多徑的影響相似，如果不加以細分，二者很難區(qū)分。但是欺騙和多徑對導(dǎo)航的完好性和可靠性的影響不同，所采取的對策也不同，應(yīng)該區(qū)分欺騙和多徑信號。雖然欺騙信號和多徑對真實信號的影響相似，但是欺騙和多徑對真實信號影響的早晚和快慢不同。文獻[42]根據(jù)這種不同，通過比較不同的欺騙和多路徑的情況，提出了一種寬間隔監(jiān)控相關(guān)器的實現(xiàn)方法，進而區(qū)分欺騙信號和多徑信號。文獻[43]等提出了一種利用不同指標組合來檢測欺騙信號并將其與多徑信號區(qū)分開來的欺騙檢測體系結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明，采用方差分析等預(yù)解擴欺騙檢測方法對多徑傳播不敏感，可以與解擴后的檢測方法結(jié)合，正確檢測出欺騙信號。

SQM 欺騙檢測一般都是在欺騙成功實施后，通過相關(guān)統(tǒng)計值來進行檢測。但是，在欺騙的起始階段，真實信號和欺騙信號之間是時變的，從而造成相關(guān)指標顯著振蕩，采用傳統(tǒng)的SQM 方法進行欺騙檢測則會帶來不可接受的高虛警率。但是這些指標的振蕩，使其方差在一段時間內(nèi)比較大，基于此，文獻[44]選擇導(dǎo)航信息質(zhì)量指標的移動方差作為新的指標來檢測欺騙，并利用公開測試數(shù)據(jù)集進行了驗證，結(jié)果表明所提方法獲得了更高的檢測率。

2.4 基于空間處理的欺騙檢測

由于各種各樣的限制，使用多個天線發(fā)射同步信號非常困難，導(dǎo)航欺騙通常都是從同一個天線發(fā)射多個欺騙信號，也就是說欺騙信號基本上來自于同一個方向，而真實信號則來自整個半球的不同方向。因此，可以使用多天線接收機或移動天線接收機，利用空間處理技術(shù)估計所有接收信號的空間特征[45]，識別相同到達方向的多個信號，進而對欺騙進行檢測和緩解。

天線陣的方位角和仰角是波達方向的非線性相位延遲函數(shù)，相位延遲估計誤差和波達方向估計誤差之間的關(guān)系取決于信號源和接收天線之間的相對方位；因此，對于欺騙檢測，比較相位延遲比比較實際波達方向更可靠[46]。文獻[47]提出可以通過2 個固定天線之間的相位差對欺騙進行檢測。在天線陣方位和衛(wèi)星運動軌跡已知的情況下，可以計算出理論相位差，與實際測量的相位差進行比較，可以進行欺騙檢測。但是，該算法需要對天線陣列方向進行校準，并且需要約1 h的時間才能識別欺騙信號，實用性較差。文獻[48]在一次國際海事測量中，采用共形七元天線陣，使用在線校準方案校正信道差異，可以對包括欺騙在內(nèi)的多種干擾信號的到達方向進行估計?？梢?，采用多天線陣，利用包含信號到達方向的載波相位差分，可以有效檢測單一方向的欺騙。但是這種方法需要知道天線的姿態(tài)，特別是對于車輛、飛機等動態(tài)載體，確定天線陣的姿態(tài)更不容易。為了解決這一問題，文獻[49-50]提出了一種聯(lián)合欺騙檢測和天線陣姿態(tài)確定的方法，在姿態(tài)確定過程中，可以檢測到達方向不一致的GNSS 信號。文獻[51]研究發(fā)現(xiàn)，在單一方向欺騙的情況下，所有信道的載波相位單差相同，采用載波相位單差可很快檢測出欺騙攻擊；并利用從摩納哥到威尼斯的游艇進行了實測，結(jié)果表明僅用6 s 就可檢測出欺騙攻擊。

波達方向解算中的模糊度高度依賴于天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和陣元的特性。文獻[52]證明了要想使導(dǎo)航信號到達角進行無模糊度解算，必須至少采用3 個非共線的天線。為了減少欺騙信號識別的初始時間，文獻[53]提出了一種利用多個接收機獲得的基線向量差范數(shù)識別欺騙信號的新方法。該方法首先同時跟蹤真實和欺騙信號，并將其分為2 個信號組，然后，根據(jù)分類信號組的雙差載波相位測量值生成基線向量，并計算基線向量差范數(shù)，利用基線向量差范數(shù)建立假設(shè)，進行假設(shè)檢驗以識別欺騙信號。實驗表明，該方法在短基線條件下能有效地進行欺騙識別，具有很低的故障檢測概率和快速的響應(yīng)時間。除載波相位雙差外，2 個接收機間的偽距雙差也可有效檢測欺騙。文獻[54]對這一方法進行了深入研究，利用接收機間的偽距雙差測量值與預(yù)期的估計值之間的差異來識別欺騙信號；但是為了估計期望的偽距雙差，還需要估計系統(tǒng)的姿態(tài)。在真實衛(wèi)星導(dǎo)航中，信號與導(dǎo)航信息之間存在一致性，基于此，文獻[55]等提出了一種新的基于一致性的雙天線欺騙檢測方法。該方法的實質(zhì)是從載波相位觀測和導(dǎo)航信息中精確估計一對固定天線的到達頻率差：無欺騙時，觀測結(jié)果應(yīng)與預(yù)測一致；當(dāng)這種一致性被破壞時，可能會存在欺騙。由于該方法不作任何關(guān)于欺騙的假設(shè)，因此從理論上可以檢測出移動的欺騙和多天線欺騙。文獻[56]提出了一種基于多個接收機的欺騙檢測統(tǒng)計檢驗方法，該方法在一塊剛體平臺上安裝相對位置已知的多個接收機，通過執(zhí)行觀測距離測量集與衛(wèi)星拓撲結(jié)構(gòu)和接收星座幾何結(jié)構(gòu)的已知信息之間的一致性檢查對欺騙進行檢測。這種方法可以檢測多個欺騙源，并且接收機的數(shù)量增加可使攻擊更容易被發(fā)現(xiàn)。

利用多天線陣列，不但可以檢測欺騙攻擊，還可削弱或消除欺騙信號。文獻[57]利用波束形成去除來自同一方向的干擾，保留來自GNSS 衛(wèi)星的未失真信號，使接收機在欺騙的情況下鎖定真實信號。文獻[58]提出了一種在多徑環(huán)境下使用天線陣列進行抗欺騙的方法，該方法利用空間處理和時域處理方法估計欺騙信道系數(shù)——信道系數(shù)含有入射信號的空間信息，根據(jù)該系數(shù)可以設(shè)置零陷使欺騙信號及多徑信號無效。由于該方法在解擴前執(zhí)行，因而顯著降低了處理復(fù)雜度，且不需要對陣列校準[59]。這種方法不但可以對欺騙進行檢測，還可以在欺騙的情況下使用衛(wèi)星導(dǎo)航，具有重要的應(yīng)用前景。但是，該方法的前提是欺騙信號來自同一個方向，所以很難應(yīng)用于多天線欺騙的場景。采用多單元陣列天線同樣可以對欺騙進行檢測和消除[14,60]，采用這種天線可以將不同的相關(guān)器輸出的相位測量值相互比較，區(qū)分從同一空間扇區(qū)接收到的相位測量值，進而檢測出欺騙信號，并且不需要任何陣列校準或陣列定向信息。

采用多天線陣或多陣元天線，利用空間處理技術(shù)，不但可以有效檢測出欺騙，而且還可抑制欺騙信號或消除欺騙對導(dǎo)航定位的影響，可以在有導(dǎo)航欺騙的情況下繼續(xù)使用衛(wèi)星導(dǎo)航，顯示出巨大的優(yōu)勢。很多學(xué)者致力于此方面的研究[61-65]。但是多天線陣或多陣元天線尚有局限：一是增加了接收機的硬件復(fù)雜度，信號處理起來也比較復(fù)雜；二是多天線占用的空間比較大，很多應(yīng)用很難滿足空間要求；三是多陣元天線有一定的技術(shù)難度，價格比較貴，大多在軍事上應(yīng)用。

為了克服多天線陣或多陣元天線的應(yīng)用限制，文獻[66]提出了一種合成天線陣的欺騙檢測方法，該方法仍采用單天線，不同的是天線在空間上移動，形成合成天線陣列結(jié)構(gòu)，進而可以有效檢測欺騙攻擊。文獻[14]進行了相關(guān)實驗，在數(shù)據(jù)采集中，天線進行任意移動、圓周（半徑小于1.5 m）、隨機行走、恒定線速度和完全未知的運動[15]，結(jié)果表明與欺騙信號的幅度變化高度相關(guān)，真實信號則不存在這種相關(guān)性，證明了這些運動都可以有效檢測出欺騙攻擊。文獻[67]采用移動天線，通過對導(dǎo)航信號幅度和多普勒相關(guān)特性的監(jiān)測，區(qū)分真實信號和欺騙信號的空間特征。文獻[68]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)接收機隨機移動時，2 個真實衛(wèi)星信號之間的多普勒頻差在時域上是非線性的，而2 個欺騙信號之間的多普勒頻差是線性的?；诖?，提出了一種基于多普勒頻差的方法，將欺騙檢測問題轉(zhuǎn)化為序列線性檢測問題。仿真和實測數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)能有效地檢測到導(dǎo)航欺騙，并能區(qū)分欺騙信號和真實信號。采用移動天線進行欺騙檢測，需要天線運動，不能在靜態(tài)中應(yīng)用。文獻[69]提出了一種基于單旋轉(zhuǎn)天線功率測量的欺騙對策，該方法使用一個低成本的轉(zhuǎn)臺使天線旋轉(zhuǎn)，利用天線增益方向圖的各向異性，采用功率測量相位差的方法來檢測欺騙信號。該方法可以在靜態(tài)或低動態(tài)的常規(guī)接收機中實現(xiàn)。檢測器是欺騙檢測成功的關(guān)鍵。文獻[70]針對移動天線設(shè)計了相關(guān)的檢測器，分析比較了檢測器的性能，得出了位置參數(shù)估計質(zhì)量的下界。

每一種檢測方法都有其適用范圍，一種方法不可能將所有的欺騙都檢測出來，即使是一種欺騙，也不可能百分之百地檢測出來；所以可將幾種方法聯(lián)合起來使用，以提高檢測的成功率和適應(yīng)性。文獻[71]提出了一種基于導(dǎo)航信號多個統(tǒng)計的欺騙檢測方案，該方案根據(jù)多普勒頻移、C/N0估計，以及位置速度時間、星歷、偽距率信息的一致性來檢測是否存在欺騙信號。文獻[72]研究了如何將多個檢測融合在一起的問題，提出了一種基于信任函數(shù)的欺騙檢測融合方法，并利用公共測試數(shù)據(jù)集進行了測試，結(jié)果表明檢測融合減少了檢測的誤報，提高了檢測結(jié)果的可靠性。文獻[73]提出了一種由欺騙檢測、真實/欺騙信號分類和欺騙消除組成的移動接收機欺騙檢測、分類和消除體系結(jié)構(gòu)，從捕獲層、跟蹤層和定位層等對欺騙信號進行檢測和消除，進而獲取并跟蹤真實信號，獲得可靠的導(dǎo)航結(jié)果。但是，采用新的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計一款接收機需要相關(guān)的專業(yè)知識和技能，技術(shù)難度較大，所需成本也比較大。

3 展望

導(dǎo)航信息安全逐漸成為人們關(guān)注的熱點。衛(wèi)星導(dǎo)航安全性不行，不僅一切等于零，甚至?xí)蔀閿撤嚼玫墓ぞ?，最后變成傷害自己的利器。對于衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用，應(yīng)首先進行欺騙檢測，這樣才能安全可靠地使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。總的來說，基于接收機改進的欺騙檢測技術(shù)應(yīng)對以下幾點加以關(guān)注：

1）注重信號捕獲前欺騙信號識別方法的研究。在接收機進行信號捕獲前，如果能夠?qū)⑿l(wèi)星導(dǎo)航欺騙信號識別出來，則可研究相應(yīng)的方法將欺騙信號剔除掉，使接收機直接捕獲衛(wèi)星導(dǎo)航真實信號。這樣，即使存在導(dǎo)航欺騙，也能使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。

2）應(yīng)深入研究多種欺騙檢測技術(shù)的聯(lián)合方法。隨著欺騙技術(shù)的發(fā)展，欺騙檢測越來越難，再優(yōu)秀的欺騙檢測技術(shù)也很難將所有的欺騙情況都檢測出來。而且，最困難的是不知道敵方使用哪種欺騙技術(shù)，什么時間欺騙。為了更好地對欺騙進行檢測，可在不同階段將幾種欺騙檢測方法聯(lián)合。目前，聯(lián)合方法研究得還較少，應(yīng)深入研究多種欺騙檢測技術(shù)的聯(lián)合方法，將不同的檢測方法深入融合，提高欺騙檢測的成功率。

3）應(yīng)建立標準的數(shù)據(jù)測試集。改進接收機或接收天線需要比較深的專業(yè)知識，很多導(dǎo)航欺騙檢測的研究者無法對接收機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者算法進行改進。而導(dǎo)航欺騙發(fā)展得越來越迅速，這就需要很多從事衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的學(xué)者從應(yīng)用的角度研究導(dǎo)航欺騙檢測，所以應(yīng)該建立一套標準的數(shù)據(jù)測試集，供廣大學(xué)者研究欺騙檢測技術(shù)。

4 結(jié)束語

欺騙檢測是衛(wèi)星導(dǎo)航防欺騙需要首先解決的問題，快速有效地檢測導(dǎo)航欺騙具有很大的挑戰(zhàn)性。本文主要介紹了基于接收機改進的導(dǎo)航欺騙檢測技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，探討了擴頻碼加密、導(dǎo)航消息身份驗證，以及基于信號功率、多普勒頻移一致性檢查、信號質(zhì)量監(jiān)測、信號空間處理等檢測技術(shù)的不足，最后對該技術(shù)進行了展望。

相對于導(dǎo)航信號加密認證技術(shù)，基于信號特征的欺騙檢測不需要更改信號協(xié)議和基礎(chǔ)設(shè)施，只須對接收機或接收天線進行改進。并且，很多方法在檢測欺騙的同時，還可以有效消除欺騙信號，使接收機能夠獲得可靠、正確的導(dǎo)航結(jié)果，提供正常的服務(wù)，具有非常大的優(yōu)勢，促使很多學(xué)者和機構(gòu)展開研究，相關(guān)成果非常豐富。但是：第一，改進接收機或接收天線需要比較深的專業(yè)知識，而且現(xiàn)有的商業(yè)接收機并不允許客戶更改，所以這種技術(shù)對現(xiàn)有的數(shù)以百萬計的商業(yè)接收機不太適用；第二，利用接收機檢測導(dǎo)航欺騙，相當(dāng)于自己檢測自己，且為了更好地檢測欺騙信號，必然會喪失其他方面的性能，如快速性、動態(tài)性等等。所以，對于現(xiàn)有的商業(yè)接收機，需要采用其他方法進行欺騙檢測。