BOC接收機捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號檢測算法

王芝應,聶俊偉,李崢嶸,孫廣富

(國防科技大學 電子科學與工程學院,長沙 410073)

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BOC接收機捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號檢測算法

王芝應,聶俊偉,李崢嶸,孫廣富

(國防科技大學 電子科學與工程學院,長沙 410073)

針對衛(wèi)星導航BOC調(diào)制接收機捕獲階段存在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號的檢測問題,提出了一種基于相關峰個數(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峰的個數(shù)與是否存在干擾信號密切相關,通過欺騙信號功率高于真實信號來建立檢測模型,給出了判決門限的計算方法及ROC曲線,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號的檢測。仿真表明,隨著接收機相關值后積累次數(shù)及欺騙信號相對于真實信號功率強度的增加,該算法的檢測概率越高,可在欺騙干擾信號功率高于真實信號功率4 dB時,在0.7%的虛警概率下實現(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)星導航系統(tǒng)(GNSS)已經(jīng)成為支持國家經(jīng)濟建設和維護軍事安全不可缺少的基礎設施,隨著導航技術的不斷發(fā)展,二進制偏移載波(BOC)調(diào)制技術作為新型調(diào)制方式,在現(xiàn)代化方案中被多個國家的衛(wèi)星導航系統(tǒng)使用,其脆弱性以及潛在的風險引起了廣泛的關注。2011年,伊朗成功俘獲美軍無人偵察機“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的發(fā)展;2011年美國導航協(xié)會(ION)舉辦的GNSS會議上,討論衛(wèi)星導航系統(tǒng)欺騙與抗欺騙技術的文章達到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、破壞軍事行動的企圖,發(fā)展相關抗欺騙技術[3]。由此可見,欺騙與抗欺騙技術已經(jīng)越來越引起人們的重視。

欺騙檢測技術是抗欺騙技術研究的第一步,也是非常關鍵的一步。目前,主要的抗欺騙技術有信號加密認證檢測[4]、信號達到時間檢測[5]、信號到達角檢測[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及適用的場景,同

時,單一的檢測技術均會存在不足。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)制接收機轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號進行檢測,給出了判決門限計算方法及對應的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衛(wèi)星信號,進行適當?shù)难舆t、放大后發(fā)射到目標接收機,對目標接收機干擾實現(xiàn)的方式。其信號中包含的偽碼及電文信息均來自真實導航衛(wèi)星,因此不需要知道目標方使用導航信號的偽碼序列及電文結構。該干擾可以對包括軍用信號在內(nèi)的所有衛(wèi)星導航接收機實施有效的欺騙。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)同檢測算法是結合多峰檢測方法和信號功率檢測方法對BOC調(diào)制接收機轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾進行檢測,其工作在導航接收設備的偽碼捕獲階段,在沒有欺騙信號存在的情況下,當設置有合適的捕獲門限時,一般僅有一個大于門限的相關峰值;若存在欺騙信號,則會有多個大于門限的相關峰值。因此,利用該差異性,即當檢測出存在多個大于門限的相關峰時,就可判斷當前接收信號中存在欺騙信號,此時,利用欺騙信號功率大于真實信號功率,可檢測出欺騙信號。

若在整個載波多普勒-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衛(wèi)星信號,可按照接收機正常流程轉(zhuǎn)入跟蹤環(huán)節(jié);若檢測到多個峰,如圖3所示,則說明當前信號中可能存在欺騙干擾信號。

因此,可構建如下三元檢測問題:

H0:當前載波多普勒-碼相位搜索單元處無信號;

H1:當前載波多普勒-碼相位搜索單元處為真實信號;

圖2 捕獲階段真實信號

圖3 捕獲階段欺騙干擾信號

H2:當前載波多普勒-碼相位搜索單元處為欺騙信號。

通過構建上述三元檢測,可保證接收機在真實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的定時定位結果。

2 檢測方法

接收機對某個衛(wèi)星信號進行捕獲的過程中,接收信號首先分別與在一個接收通道的同向支路上的正弦和正交支路上的余弦復制載波進行混頻,而后混頻結果與復制C/A碼進行相關,接著相關結果i和q經(jīng)過時間為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.若存在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號,為了達到欺騙的效果,其功率必定高于真實信號的功率,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

假設欺騙信號相關峰與真實信號相關峰的碼相位相距較大。在捕獲階段,接收機對載波多普勒和碼相位搜索域的每一個單元均進行解擴處理,其相關器輸出為

(1)

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

則三種假設條件可表示為

(2)

相關器輸出在上述假設條件下均服從正態(tài)分布:

(3)

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

(4)

根據(jù)模型的假定,在H0條件下,檢驗統(tǒng)計量V服從中心化chi平方分布,在H1、H2條件下,檢驗統(tǒng)計量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)中的三元假設中進行判決,如圖5所示。

1) 若相關值能量低于ρ1,則認為無信號;

2) 若相關值能量高于ρ2,則認為是欺騙干擾信號;

3) 若相關值能量在ρ1與ρ2之間,則認為是真實衛(wèi)星信號。

圖5 不同假設條件下檢驗統(tǒng)計量的概率分布函數(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(真實信號或者欺騙信號);

二類虛警:在有真實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,其表達式為

PFA1=Pr{V>ρ1H0}∪Pr{V>ρ2H0}

(5)

即門限ρ1的表達式為

(6)

門限ρ2決定了二類虛警概率PFA2,其表達式為

(7)

即門限ρ2的表達式為

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

3 仿真驗證

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

查閱資料可知,衛(wèi)星導航接收信號到達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[10],故對采用1ms的相干積累長度的捕獲處理而言,其相關器輸出結果信噪比范圍為5～25dB.利用上述真實衛(wèi)星信號功率的先驗信息,以及二類虛警概率PFA2,即可得到進行欺騙信號檢測的門限ρ2.

根據(jù)上述分析得出各假設條件下檢驗統(tǒng)計量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。

為了校驗提出算法的有效性,利用Matlab軟件在表1的參數(shù)下,進行1 000次蒙特卡洛仿真。圖6、圖7分別給出了在接收機相關器輸出端真實信號信噪比為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示出了真實信號信噪比為10dB,欺騙信號為13dB,自由度分別為1、3、5時,虛警概率與檢測概率之間的關系。從圖中可以看出,欺騙信號信噪比高于真實信號3dB,在相同虛警概率的情況下,隨著接收機相關值后積累次數(shù)的增加,欺騙信號檢測概率越來越高,當虛警概率為5%時,檢測概率能達到90%以上。

圖6 欺騙檢測ROC曲線(欺騙信噪比13 dB)

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

結合圖6、圖7可以看出,在接收機相關值后積累次數(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,隨著接收機相關值后積累次數(shù)以及欺騙信號相對于真實信號功率強度的增加,本文所給出的欺騙信號檢測算法檢測概率越高,當干擾方欺騙信號功率高于真實信號功率3dB時,可在5%的虛警概率下實現(xiàn)90%以上的檢測概率性能;當干擾方欺騙信號功率高于真實信號功率4dB時,在0.7%的虛警概率下實現(xiàn)95%以上的檢測概率性能。

4 結束語

本文針對BOC調(diào)制接收機轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾“多峰+功率”協(xié)同檢測技術進行了研究,該方法不需要增加接收機的硬件設施,只需要在軟件接收機信號處理部分加入相應模塊即可進行欺騙檢測,具有一定的工程實用價值。但文中是假設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”干擾模式實施欺騙,壓制干擾造成接收機噪底抬高,經(jīng)過射頻前端AGC調(diào)控后,捕獲時同樣只會出現(xiàn)一個峰,此時無法辨別該峰是欺騙信號還是真實信號。在下一步工作中需要對上述問題進行分析。

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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 (1991-),男,四川達州人,碩士生,主要研究方向為GNSS抗欺騙干擾。

聶俊偉 (1983-),男,山西忻州人,博士,講師,主要研究方向為GNSS抗干擾。

李崢嶸 (1970-),男,湖南湘潭人,副研究員,主要研究方向為衛(wèi)星導航對抗技術。

孫廣富 (1970-),男,黑龍江巴彥人,教授,博士生導師,主要研究方向為衛(wèi)星導航信號接收技術。

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