衛(wèi)星導航欺騙及檢測（三）：基于輔助信息的欺騙檢測

張倫東，張 超，高揚駿

（信息工程大學，鄭州 450001）

0 引言

通過改進導航接收機，在接收機里增加硬件模塊或在數(shù)據(jù)處理階段增加欺騙檢測算法，可以有效檢測某些形式的導航欺騙。并且，在檢測出導航欺騙的同時，還可采取相應(yīng)的措施消除或減弱欺騙信號，使接收機能夠輸出安全的導航結(jié)果。也就是說，即使在欺騙的環(huán)境下，通過改進接收機，也可為用戶提供服務(wù)，這就具有非常大的優(yōu)勢。但是，用戶手中現(xiàn)有的接收機或市場上大量的沒有改進的接收機并不允許用戶更改。另外，導航欺騙技術(shù)也是動態(tài)發(fā)展的，改進的接收機對一類欺騙技術(shù)可以檢測，對另一類欺騙檢測技術(shù)可能就檢測不出來，此時再相信衛(wèi)星導航的結(jié)果則會帶來很大的危害。

一般來說，導航欺騙都是針對衛(wèi)星導航的，還未發(fā)現(xiàn)針對視覺、慣性等非衛(wèi)星導航的欺騙技術(shù)，所以可利用慣性導航、視覺定位等非衛(wèi)星導航手段和衛(wèi)星導航結(jié)果比較，對欺騙進行檢測[1]，這類技術(shù)稱為基于輔助信息的欺騙檢測。本文主要介

紹這種欺騙檢測技術(shù)，其中對基于慣導信息輔助的欺騙檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了詳細的論述。

1 基于慣導信息的欺騙檢測技術(shù)發(fā)展動態(tài)

1.1 相對位置已知的多天線欺騙檢測

對于現(xiàn)有商業(yè)接收機，可以仿照多天線的方式，使用兩個或多個相對位置已知的天線進行欺騙檢測。所不同是，這種方法不再檢測信號的到達方向，而是進行位置解算，利用解算出來的天線相對位置與真實的天線相對位置比較，進而進行欺騙檢測[2-3]。這種方法只需要接收機的測量數(shù)據(jù)，其最大的優(yōu)勢是不需要對接收機進行任何更改，因此十分適合現(xiàn)有的商業(yè)接收機。但是，一般接收機的偽距單點定位誤差約為10 m，高精度接收機的誤差也為2～5 m，所以天線之間不能相距太近[4]，這就限制該方法在很多場合的應(yīng)用。另外，使用多少個天線才能更好地進行欺騙檢測，也需要深入研究。為了實現(xiàn)有效的欺騙檢測，文獻[5]在組合導航的基礎(chǔ)上又增加了一個低成本的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）接收機，形成一條固定基線，利用慣性導航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）計算姿態(tài)和基線矢量下的雙差觀測量，將計算的雙差觀測量和觀察到的測量值進行比較，構(gòu)建欺騙檢測的測試統(tǒng)計量。在欺騙攻擊下，觀測到的雙差測量值與計算的觀測量會有很大的差異。這種方法不需要對接收機或天線進行重新設(shè)計或改變，可以直接應(yīng)用到現(xiàn)有商業(yè)接收機上。但是，該方法的本質(zhì)還是利用信號的空間到達角信息來檢測欺騙信號，需要確定基線長度和姿態(tài)信息，而且姿態(tài)精度、基線長度對欺騙檢測的性能會有一定影響，在一些空間有限的場合，無法形成滿足檢測要求長度的基線。

1.2 慣導輔助的欺騙檢測

慣性導航完全自主，不需要與外界進行信息交互，不受導航欺騙的影響，可以用來對欺騙進行檢測[1]。但是文獻[4，6]對這種方法提出了幾點質(zhì)疑：

1）長時間工作，其他設(shè)備往往不如衛(wèi)星導航精確，如果衛(wèi)星導航和其他設(shè)備導航結(jié)果不一致，應(yīng)遵循哪一種導航方式？他們認為至少需要兩種精度和穩(wěn)定性相當?shù)募夹g(shù)才能互為備份。

2）慣導設(shè)備需要校準，否則由于誤差累積，定位結(jié)果往往很快偏離正確的值。

3）采用慣導等信息輔助的欺騙檢測技術(shù)，增加了導航接收機的硬件和軟件復(fù)雜度。

如果欺騙信號解算的位置與真實位置之間相差很小，則這種檢測不會起作用。慣導系統(tǒng)由于誤差的積累，雖然長時間導航的精度會下降，但是短時間的相對位置精度卻非常高，因此可以用前后時刻的相對導航結(jié)果對欺騙進行檢測。

利用慣性導航等輔助信息進行欺騙檢測，只需要接收機解算的位置、速度，或偽距、偽距率等結(jié)果，不需要對接收機進行任何更改，并不會增加接收機的硬件和軟件復(fù)雜度，并且隨著微慣性技術(shù)的發(fā)展，所需成本也越來越小。欺騙檢測的閾值與陀螺儀和加速度計的精度有關(guān)，陀螺儀和加速度計的精度越高，檢測閾值越小。進一步說，如果欺騙信號解算的位置與真實位置之間相差很小，則很難達到欺騙的目的?？梢?，基于慣導等輔助信息的欺騙檢測是完全可行的，也是非常有價值的。

2014 年，文獻[7]采用船上自帶的慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）測量的相對軌跡與接收機估計的瞬時軌跡相比較的方法，很容易地檢測出了導航欺騙，證明了利用慣導等外界輔助信息能夠有效檢測衛(wèi)星導航是否受到欺騙。但是，船用慣導的精度非常高，價格也比較貴。對于低精度低成本INS 或不同等級的IMU 能否對欺騙進行檢測，或者檢測的性能如何，到需要深入研究。文獻[8]基于汽車應(yīng)用的 GNSS 與INS 緊耦合系統(tǒng)，分析了使用戰(zhàn)術(shù)級和微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems, MEMS）級IMU 檢測GNSS 欺騙的性能限值問題。結(jié)果表明，無論是戰(zhàn)術(shù)級還是MEMS 級的IMU，在較低的欺騙動態(tài)和較長的欺騙持續(xù)時間內(nèi)，都無法立即檢測到GNSS 誤差；當欺騙動力學較高時，戰(zhàn)術(shù)級IMU 在檢測GNSS 觀測中的異常值方面性能優(yōu)于MEMS 級IMU。這說明如果導航欺騙器可長時間持續(xù)欺騙，并且欺騙器施加的偏差較小，低成本IMU 很難快速地對欺騙進行檢測；當欺騙器施加的偏差較大時，IMU 的精度越高，其檢測性能越好。該文獻進一步分析了不同接收機對欺騙檢測性能的影響，結(jié)果表明接收機的質(zhì)量在欺騙檢測中的作用比IMU 的質(zhì)量更為重要，一個好的接收機與一個很差的IMU 集成，比一個差的接收機與一個很好的IMU 集成在欺騙檢測性能更好。文獻[9]從理論上分析了消費級低精度IMU、中等精度光纖陀螺IMU 和高精度激光陀螺IMU 等不同精度等級對雙差觀測的預(yù)測和欺騙探測性能的影響，并采用低成本InvenSense MPU 9255、中成本Xsens MTI-G-700 和高端HJG-11G 三個檔次的IMU 進行了實測實驗，結(jié)果表明在欺騙檢測中，需使用與MTI-G-700 性能相當?shù)漠a(chǎn)品，才能確保高檢測概率和低虛警率。

當衛(wèi)星導航與慣性導航組合時，由于組合的級聯(lián)效應(yīng)，組合導航結(jié)果也可能會受到衛(wèi)星導航欺騙的影響。文獻[10]分析了衛(wèi)星導航受到欺騙時，GNSS/INS 組合系統(tǒng)卡爾曼濾波誤差協(xié)方差、新息序列等的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）卡爾曼濾波器的誤差協(xié)方差不受欺騙的影響；2）新息序列的統(tǒng)計特性發(fā)生了變化；3）在欺騙攻擊下，估計的慣性傳感器誤差不再可靠。文獻[11]分析了導航欺騙對GNSS/INS 松組合模式的影響，發(fā)現(xiàn)在欺騙攻擊下，陀螺儀和加速度計誤差的估計值明顯增大，可根據(jù)該估計值對欺騙進行檢測。但是，對陀螺儀和加速度計誤差的影響因素非常多，如環(huán)境的突然變化、衛(wèi)星導航突然出現(xiàn)野值、陀螺儀和加速度計突然出現(xiàn)故障等都會使誤差估計值明顯增大，所以僅依靠該估計值對欺騙進行檢測是不準確的。文獻[12-13]基于接收機自主完好性監(jiān)測（receiver autonomous integrity monitoring, RAIM）的概念，引入INS 監(jiān)測GNSS 測量和INS 測量之間的差異，利用估計殘差的時間序列實現(xiàn)欺騙檢測，并從完好性的角度對基于INS 的最壞情況欺騙攻擊監(jiān)控性能進行了全面描述。與傳統(tǒng)RAIM 不同是，監(jiān)測所需的冗余是通過INS 測量而不是衛(wèi)星冗余提供的。文獻[14]研究了飛機對控制動作的響應(yīng)對欺騙檢測的影響，作為對欺騙位置狀態(tài)估計的響應(yīng)，飛機自動駕駛儀命令使飛機機動到欺騙器所期望的軌跡，控制器響應(yīng)會導致INS 立即感知到瞬態(tài)行為?？梢姡瑢ζ垓_輸入的自動駕駛儀的響應(yīng)可顯著增強INS 對欺騙攻擊的檢測。如果欺騙器能夠?qū)δ繕私邮諜C的位置實時探測，對其進行閉環(huán)跟蹤，則目標接收機處于最壞情況，這對欺騙檢測也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。文獻[15]在前面研究的基礎(chǔ)上，提出了一種慣性導航監(jiān)測器，該監(jiān)測器中GNSS/INS 組合為緊組合模式，利用卡爾曼濾波新息序列對導航欺騙進行檢測，構(gòu)建了一個隨機性能評估模型，驗證了對最壞情況下的欺騙攻擊的性能。在此基礎(chǔ)上，文獻[16-17]建立了一個更為全面的性能評估模型，該模型利用基于卡爾曼濾波的估計器和基于新息序列的INS 探測器，捕捉飛機控制器對最壞情況欺騙攻擊的動態(tài)響應(yīng)，并利用最壞情況下的故障評估模型，對波音（BOEING）B747 著陸方式的完整性風險進行分析，以量化監(jiān)控器的性能。仿真結(jié)果表明，除非欺騙器的跟蹤具有不切實際的高精度和無時間延遲，否則這種慣性導航監(jiān)測器基本上都能檢測出導航欺騙。文獻[18]還開發(fā)了一個集成監(jiān)測（檢測器）和估計（估計器）的框架，在最壞情況下，模擬了BOEING B747 的最后進近過程，結(jié)果與GNSS/INS 緊組合模式時一致，即監(jiān)測器能夠有效地檢測出除欺騙器跟蹤裝置具有不切實際的高精度外的欺騙攻擊。為了深入驗證慣導監(jiān)測器對最壞情況下的GNSS 欺騙攻擊的抵抗能力，文獻[19-20]開發(fā)了一個實驗裝置，該裝置能夠生成最壞情況下的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）偽碼和載波相位信號，并可通過電纜直接注入至接收機。結(jié)果證明，即使欺騙器能夠跟蹤接收機的位置并濾除高頻跟蹤誤差，采用戰(zhàn)術(shù)級的慣導監(jiān)視器仍然能夠以較低的漏檢概率檢測到導航欺騙。

文獻[21]也深入研究了基于卡爾曼濾波的欺騙檢測方法，證明了基于卡爾曼濾波的斜坡型故障模式欺騙檢測方法的有效性。文獻[22]提出了一種基于MEMS-INS/GNSS 緊耦合模式的卡爾曼濾波新息和傳播過程估計的欺騙識別方法，并在欺騙框架下實現(xiàn)了估計器的迭代，進而可以減少計算量。在GNSS/INS 組合導航中，并不一定采用卡爾曼濾波進行信息融合，也有可能采用其他濾波方式。文獻[23]提出了一種將自適應(yīng)粒子群優(yōu)化濾波器應(yīng)用于 INS/GPS 組合系統(tǒng)中作為欺騙攻擊估計器的新方法，由于粒子群優(yōu)化算法具有基于記憶的特性和粒子群經(jīng)驗的優(yōu)點，將其應(yīng)用于INS/GPS 組合系統(tǒng)中，在衛(wèi)星導航受欺騙時，與常規(guī)粒子濾波相比，定位精度更高。仿真結(jié)果也證實，在欺騙攻擊條件下，自適應(yīng)粒子群優(yōu)化濾波器算法可靠、能夠準確地估計無人機的真實位置。

如果衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)有野值或者傳感器發(fā)生故障，卡爾曼新息序列統(tǒng)計值也會發(fā)生變化，也有可能大于欺騙檢測設(shè)定的閾值。文獻[24-27]采用相同的方法，利用從卡爾曼濾波器獲得的新息序列對傳感器的故障進行了實時檢測，這也說明這種方法并不能嚴格區(qū)分是衛(wèi)星導航受到欺騙還是傳感器出現(xiàn)了故障。

在很多場合下，需要正確辨識衛(wèi)星導航是否受到欺騙，以便對其他設(shè)備進行警告。一種有效的方法是將GNSS 的定位測速授時等最終結(jié)果或中間結(jié)果與其他系統(tǒng)的結(jié)果進行對比。文獻[28-31]采用加速度進行比較，對不同加速度的均值和方差進行了測試，重點比較了MEMS 加速度計測量的加速度和GNSS 計算的加速度，以檢測GNSS 信號的真實性。這種方法的好處是有無限的觀察窗口，在一個或幾個窗口內(nèi)就可以有效地檢測欺騙。為了合理地比較加速度，GNSS 和加速度計的測量值需要在同一坐標系下，這就需要測量GNSS 和加速度計之間的姿態(tài)。文獻[32]利用低成本IMU，通過加速度向量和角速度向量的范數(shù)檢驗IMU 與GNSS 之間的一致性，對導航欺騙進行有效檢測。測試結(jié)果表明，在報警時間為3 min 的情況下，可以達到合理的檢測精度。采用加速度向量和角速度向量的范數(shù)進行比較，這樣對IMU 測量偏差不敏感，就可以不用對IMU 進行校準，也不需要確定IMU 的初始方向，增強了該方法的適應(yīng)性。利用IMU 的原始觀測量[33]或者載體的非完整約束[34]，直接比對慣性導航和衛(wèi)星導航的位置結(jié)果[35-36]，或者利用地圖[37]、GNSS/INS/里程計[38-39]等方式對導航欺騙進行檢測。這些方法從原理上來講是完全可行的，但它們適用于哪些載體，對哪些欺騙方式有效，還需要深入地進行研究。

2 基于其他輔助信息的欺騙檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

除加速度計或IMU 外，視覺傳感器也能推算載體的軌跡，也可用于欺騙檢測。文獻[40-41]針對無人機的欺騙，提出了一種基于視覺的欺騙檢測方法，該方法基于無人機在飛行軌跡上運動窗口內(nèi)的相對子軌跡與衛(wèi)星導航絕對軌跡的比較，可以確定無人機欺騙的時間和位置，并限定漂移誤差。4 種無人機欺騙場景下的評估結(jié)果表明：該方法可以在無人機飛行方向變化大于3°時，在遠程飛行中檢測到無人機欺騙；在無人機重定向率為1°時，檢測到無人機欺騙。類似地，采用單目視覺和IMU 也可對無人機的導航欺騙進行有效檢測[42]。對于無人機的導航定位，文獻[43]提出可以采用協(xié)同導航的方式，利用沒有受到欺騙的無人機的位置確定受欺騙無人機的位置。這是一種比較新穎的思路，但是首先需要確定哪些無人機受到了欺騙，哪些沒受到欺騙；其次用多少架沒受到欺騙的無人機才能確定一架受到欺騙的無人機的位置；另外，無人機之間需要通信。目前來看，這一方法還很難進行實際應(yīng)用。

近年來，隨著智能終端的普及，一些基于智能終端的反欺騙方法應(yīng)運而生。文獻[44]探討了智能手機測量技術(shù)在欺騙檢測方面的潛力，對智能手機來說，可以使用的測量值包括來自GNSS 和其他傳感器的位置、來自GNSS 和加速度計的加速度等。文獻[45]也探討了智能手機上不同傳感器的性能，評估了這些傳感器在欺騙檢測方面的潛力，基于關(guān)鍵傳感器性能的評估結(jié)果，可以通過監(jiān)測基站網(wǎng)絡(luò)定位結(jié)果、自動增益控制（automatic gain control, AGC）和載噪比（carrier-to-noise ratio,C/N0）、慣性傳感器的數(shù)據(jù)和偽距殘差或它們的組合來檢測欺騙。安卓（Android ）7.0 以上的版本可以接收GNSS 原始數(shù)據(jù)，文獻[46]使用原始載波相位測量值，計算出3 維（3D）速度、加速度和航向信息，并與其他傳感器（如磁強計、加速度計和氣壓計）的結(jié)果進行比較，如果比較指標超過預(yù)先指定的閾值，則會觸發(fā)欺騙警報。但是這個閾值如何確定，對各種狀態(tài)是否有效需要進行深入研究和評估測試。

3 展望

與導航信號加密認證技術(shù)和基于信號特征的欺騙檢測相比，基于輔助信息的欺騙檢測有如下優(yōu)點：1）不需要對信號協(xié)議、基礎(chǔ)設(shè)施、接收機和接收機天線進行任何改造，只需要增加一個輔助傳感器就可對現(xiàn)有商業(yè)接收進行欺騙檢測；2）利用不受欺騙的輔助信息，也就是利用外界信息來檢測衛(wèi)星導航，避免了基于信號特征的接收機自己檢測自己的方式；3）可以提供備份的導航定位手段，特別是采用慣性導航時，還可為載體提供水平姿態(tài)和航向信息。雖然增加輔助傳感器，會增加一定的成本，但是隨著微機械技術(shù)的發(fā)展，MEMS-INS 的精度越來越高，成本越來越低，相對于更改信號協(xié)議、改造基礎(chǔ)設(shè)施、甚至改進接收機和天線的成本，已微不足道；另外，隨著微慣導的發(fā)展，慣性導航的技術(shù)門檻也越來越低，稍微懂點專業(yè)知識的人員，都能讀出和利用慣性器件的數(shù)據(jù)，這也為基于輔助信息的欺騙檢測方法的推廣奠定了基礎(chǔ)。

但是，在長時間工作的情況下，慣性導航等外界信息不如衛(wèi)星導航精確，如何利用慣性導航等外界信息對衛(wèi)星導航欺騙進行檢測應(yīng)深入研究。另外，GNSS/INS 具有緊耦合、松耦合等不同的組合模式，不同組合模式下如何檢測欺騙還需進一步探討。此外，載體運動是否影響欺騙檢測算法的性能，如何影響也應(yīng)深入分析?？梢?，基于輔助信息的欺騙檢測還處于起步階段，以下幾點值得關(guān)注和研究：

1）導航欺騙對GNSS/INS 組合導航的影響機理分析。不同欺騙模式對不同組合模式的組合導航參數(shù)影響規(guī)律應(yīng)深入分析，這是慣性導航輔助的欺騙檢測的基礎(chǔ)。此外，衛(wèi)星導航、陀螺儀、加速度計故障，衛(wèi)星導航多路徑誤差，衛(wèi)星導航野值和干擾對組合導航也會產(chǎn)生影響，應(yīng)該分析不同導航欺騙與其他故障情況下各參數(shù)變化規(guī)律的區(qū)別。

2）慣性導航信息輔助的欺騙檢測方法研究。不同的組合模式，導航欺騙的影響效果不同，如何利用慣性導航信息快速正確地檢測導航欺騙值得深入研究。另外，慣性導航的精度也不相同，不同精度等級的慣性導航其欺騙檢測能力如何評價，也需進一步探討。

3）多種欺騙檢測技術(shù)的聯(lián)合方法研究。為了更好地對欺騙進行檢測，在可能的情況下，應(yīng)在不同的層次將幾種欺騙檢測方法聯(lián)合，將不同的檢測方法深入融合，進一步提高欺騙檢測的成功率。

4 結(jié)束語

本文重點論述了基于輔助信息的欺騙檢測技術(shù)研究動態(tài)，尤其是對基于慣性導航信息輔助的欺騙檢測方法進行了詳細的論述。最后，對相關(guān)技術(shù)進行了展望，指出了應(yīng)該重點關(guān)注的幾個問題。利用外界信息輔助的導航欺騙檢測方法靈活，可以隨著導航欺騙技術(shù)的提升研究不同的檢測手段，對現(xiàn)有接收機來說非常實用。但是，目前的研究還偏少，相關(guān)的問題還沒研究清楚，需要進一步深入研究。