基于GNSS信號時延特征的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾檢測算法

張國利，丁繼成，張 堯,3

(1.中國人民解放軍92941部隊,遼寧 葫蘆島 125001;2.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;3.中興通訊西安研究院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)帶來的經(jīng)濟(jì)意義和政治意義引起了許多國家的重視，許多政治、軍事強(qiáng)國都在大力發(fā)展自己的GNSS，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS，中國的BDS以及歐洲的Galileo，并稱當(dāng)今世界4大GNSS。此外，正在建設(shè)中的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還有印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)[1]。

電磁環(huán)境的日益復(fù)雜對衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來，北斗導(dǎo)航用戶接收機(jī)易受干擾的問題日益突出，主要是衛(wèi)星信號功率弱導(dǎo)致用戶接收機(jī)抗電磁干擾能力差[2]，且民用導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)公開，接收機(jī)很容易受到自然干擾和人為干擾。自然干擾無法避免,而人為干擾產(chǎn)生的后果更為嚴(yán)重,人為干擾主要分為壓制式干擾和欺騙式干擾[3],壓制式干擾是以大功率壓制干擾機(jī)發(fā)射單頻、掃頻和偽碼等壓制信號使得目標(biāo)接收機(jī)失鎖無法正常工作，在應(yīng)用過程中易被接收機(jī)察覺。不同于壓制式干擾的是，欺騙干擾通過產(chǎn)生與真實信號高度相似的欺騙衛(wèi)星信號或者轉(zhuǎn)發(fā)真實衛(wèi)星信號在隱蔽條件下使GNSS終端得到虛假的時間、位置和速度信息。欺騙式干擾分為2種[4]：生成式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。相比較生成式欺騙干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的危害性更大，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾[5]是將真實導(dǎo)航信號進(jìn)行一定的延時和放大后發(fā)送給目標(biāo)接收機(jī)，因而在時間上落后于真實衛(wèi)星信號，實施起來較容易且威脅性更大，它不僅可以干擾民用接收機(jī)，而且對于加密的軍用設(shè)備同樣可以進(jìn)行欺騙干擾。

欺騙檢測技術(shù)是抗欺騙技術(shù)研究的第一步，只有實時、正確和可靠地檢測出欺騙信號，用戶終端[6]才能減輕或消除欺騙干擾。目前，主要的抗欺騙技術(shù)有信號到達(dá)時間檢測[7]、加密認(rèn)證檢測、信號到達(dá)角檢測[8]和信號功率檢測等方法[9]。每種檢測方法都有自身的特點及適用場景。本文針對捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的檢測需求，基于欺騙信號的時延特性，采用多峰聯(lián)合FWHM的檢測方式來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號的檢測與識別，并通過仿真驗證了算法的可行性。

1 大時延欺騙信號檢測算法分析

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾將真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號經(jīng)過一定的延時和放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)接收機(jī)，造成定位偏差。通常情況下，大時延欺騙信號是指轉(zhuǎn)發(fā)時延超過2個碼片的干擾信號。多峰檢測算法根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號的這一特征[10]，當(dāng)欺騙信號轉(zhuǎn)發(fā)時延較大時，通過檢測信號捕獲過程中超過捕獲門限的相關(guān)峰個數(shù)來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的檢測。

信號的捕獲主要完成接收信號載波頻率和碼相位的參數(shù)估計，然后根據(jù)參數(shù)估計值初始化跟蹤環(huán)路[11]，幫助接收通道展開對信號的跟蹤。接收機(jī)的信號捕獲過程一般是通過對衛(wèi)星信號的載波頻率和碼相位進(jìn)行二維搜索[12]。捕獲原理如圖1所示[13]。

圖1 捕獲原理

由圖1可知，當(dāng)非相干積分值超過預(yù)設(shè)的檢測閾值時即可判斷信號捕獲成功，這是信號捕獲原理也是多峰檢測算法的重要前提。通常情況下，若接收到的衛(wèi)星信號中只有真實信號，在捕獲的相關(guān)峰值中，有且僅有一個相關(guān)峰的峰值超過預(yù)先設(shè)置的相關(guān)峰閾值；而當(dāng)欺騙信號存在時，由于其要成功欺騙接收機(jī)，在捕獲階段會檢測到多個大于預(yù)先設(shè)定閾值的相關(guān)峰值。多峰檢測算法利用這一特性，通過檢測捕獲過程中超過捕獲閾值的相關(guān)峰值的個數(shù)達(dá)到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾檢測的目的。

檢測結(jié)果的判決是通過與檢測門限值Vt比較決定的：一方面，過小的門限容易造成虛警，即實際不存在欺騙干擾接收機(jī)確給出了錯誤的判決；另一方面，過大的門限容易造成漏警，即接收機(jī)沒有檢測出實際存在的欺騙干擾。檢測門限的設(shè)定與信號捕獲門限值的設(shè)定方法一致。

(1)

(2)

當(dāng)信號不存在時，門限值Vt對應(yīng)的虛警率Pfa大小為：

(3)

也就是：

(4)

門限值Vt確定后，信號被捕獲到的概率Pd為：

(5)

式中，Pmd為漏警率。利用虛警概率計算得到捕獲門限后，就可以通過多峰檢測對欺騙信號進(jìn)行干擾檢測，檢測過程分為以下幾個步驟：

① 對于接收到的1 ms數(shù)字中頻信號SIF(n)首先分別與接收通道同相支路上正弦、余弦復(fù)制載波混頻；

② 將混頻結(jié)果與本地復(fù)制C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果i和q；

③ 相關(guān)結(jié)果i和q經(jīng)過時間為Tcoh相干積分后生成數(shù)據(jù)對I和Q；

④ 最后經(jīng)非相干積分得到檢測統(tǒng)計量V；

⑤ 非相干積分值與設(shè)定的門限Vt作比較，如果存在2個獨(dú)立的高于門限Vt的峰值則判定轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾存在。

當(dāng)欺騙信號碼延時為100個碼片時檢測到2個獨(dú)立的超過門限的相關(guān)峰，算法成功地檢測到大時延欺騙信號，如圖2所示。

當(dāng)欺騙信號轉(zhuǎn)發(fā)時延為1個碼片時真實導(dǎo)航信號和欺騙信號的相關(guān)峰發(fā)生重疊，此時利用多峰檢測算法進(jìn)行干擾判別，并不能檢測到欺騙信號，如圖3所示。

多峰檢測算法對轉(zhuǎn)發(fā)時延較大的欺騙信號有很好的檢測效果，但是當(dāng)欺騙信號轉(zhuǎn)發(fā)時延很小時，多峰檢測并不再適用，針對這種情況，本文提出了針對小時延欺騙信號的FWHM檢測算法。

圖2 多峰檢測結(jié)果

圖3 多峰檢測結(jié)果

2 小時延欺騙信號檢測算法分析

在檢測欺騙干擾時，比較簡單的情況就是欺騙干擾的相關(guān)峰與真實衛(wèi)星信號的相關(guān)峰不重疊，即有2個相關(guān)峰，此時可利用多峰檢測算法進(jìn)行干擾判別，且有很好的檢測效果。但實際情況中，由于轉(zhuǎn)發(fā)時延是可控的，所以存在欺騙干擾時的相關(guān)峰會出現(xiàn)2種情況，即有2個相關(guān)峰或者只有一個相關(guān)峰。通過上述分析，當(dāng)有2個相關(guān)峰時，可利用多峰檢測進(jìn)行判決。但是，當(dāng)只有一個相關(guān)峰時，欺騙信號和導(dǎo)航信號的相關(guān)峰發(fā)生重疊，此時無法從相關(guān)峰的數(shù)目上來判別是否存在欺騙干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾源為了提高欺騙信號的隱蔽性，在實際干擾過程只有一個相關(guān)峰的情況更為常見。針對該情況下的欺騙信號提出FWHM檢測。

FWHM通過檢測相關(guān)峰的幾何形狀，利用相關(guān)峰的半高寬來實現(xiàn)對小時延欺騙信號的檢測。

理想情況下，相關(guān)函數(shù)的寬度為2個碼片，相關(guān)函數(shù)公式：

(6)

FWHM的示意如圖4所示，利用相似三角形得到如下表達(dá)式：

Vw=2(Vm-Vt)/Vm+ε，

(7)

式中，Vm是相關(guān)結(jié)果最大值，這里進(jìn)行了歸一化處理；ε是懲罰因子；Vt取相關(guān)峰值的一半。在只有導(dǎo)航信號時，計算得到的FWHM為一個碼片寬度，當(dāng)接收機(jī)受到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾后，如果欺騙信號相關(guān)峰和導(dǎo)航信號的相關(guān)峰距離較近，會導(dǎo)致原導(dǎo)航信號的相關(guān)峰發(fā)生形變，F(xiàn)WHM檢測算法通過檢測相關(guān)峰的幾何形狀來實現(xiàn)對欺騙信號的干擾檢測。在利用FWHM檢測算法進(jìn)行干擾檢測時，首先根據(jù)捕獲結(jié)果計算出捕獲相關(guān)峰的半高寬，其次根據(jù)計算得到的相關(guān)峰半高寬與檢測閾值Vw進(jìn)行比較，當(dāng)大于Vw時則判定為欺騙信號存在。

圖4 FWHM示意

基于信號時延特性的接收機(jī)信號捕獲階段欺騙干擾檢測流程如圖5所示。首先利用多峰檢測判斷超過檢測門限的相關(guān)峰個數(shù)，如果為0則表明接收機(jī)通道內(nèi)沒有導(dǎo)航信號；如果超過檢測門限的相關(guān)峰個數(shù)大于1，表明接收機(jī)受到欺騙干擾；如果超過檢測門限的相關(guān)峰個數(shù)為1，進(jìn)行FWHM檢測，將計算得到的捕獲相關(guān)峰的半高寬與Vm進(jìn)行比較，大于Vm則判定為欺騙信號，小于Vm則判定為導(dǎo)航信號。

圖5 捕獲階段欺騙干檢測流程

3 仿真驗證

為驗證多峰檢測算法和FWHM檢測算法針對不同轉(zhuǎn)發(fā)時延情況下欺騙信號的檢測有效性，實驗分為大時延欺騙信號檢測和小時延欺騙信號檢測2部分。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的相關(guān)資料，衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號在地面范圍內(nèi)的信號功率差距不大，信號的載噪比在35～55 dB/Hz 之間。本次仿真共生成1，5，7，15共4顆衛(wèi)星的混合信號，相干積累的接收信號長度為1 ms，導(dǎo)航信號載噪比46 dB/Hz ，中心頻率4.098 MHz，采樣頻率20 MHz，任取其中一顆衛(wèi)星，模擬其轉(zhuǎn)發(fā)時延分別為100個碼片和1個碼片的欺騙干擾，并疊加在原信號上。

圖6給出了欺騙信號功率和真實導(dǎo)航信號功率相等、轉(zhuǎn)發(fā)延時為100個碼片時的檢測結(jié)果。由圖6可以看出，檢測到2個獨(dú)立的超過門限值Vt的相關(guān)峰，利用多峰判決準(zhǔn)則成功地檢測到欺騙信號，說明多峰檢測算法對大延時欺騙信號有很好的檢測效果。同時，為驗證FWHM檢測算法對小時延欺騙信號的檢測性能，實驗過程中將欺騙信號的時延設(shè)置為1個碼片。

圖6 多峰檢測結(jié)果

碼延時1個碼片時多峰檢測結(jié)果如圖7所示，可以看出，當(dāng)欺騙信號和正常導(dǎo)航信號功率相等且轉(zhuǎn)發(fā)時延為一個碼片時，欺騙信號與正常導(dǎo)航信號的相關(guān)峰發(fā)生重疊，根據(jù)多峰檢測算法的判別準(zhǔn)則并不能檢測到欺騙信號。

圖7 碼延時1個碼片時多峰檢測結(jié)果

正常導(dǎo)航信號FWHM檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 正常導(dǎo)航信號FWHM檢測結(jié)果

碼延時1個碼片時FWHM檢測結(jié)果如圖9所示，可以看出，利用FWHM檢測算法對主峰采樣點進(jìn)行高斯擬合后計算得到相關(guān)峰半高寬為12.52，與圖8正常導(dǎo)航信號的相關(guān)峰半高寬相比，增大5.1。FWHM檢測算法成功地檢測到轉(zhuǎn)發(fā)時延為一個碼片的欺騙信號，成功地驗證了FWHM檢測算法針對小時延欺騙信號的檢測有效性。

圖9 碼延時1個碼片時FWHM檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文利用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號相對正常導(dǎo)航信號的時延特性，提出了一種針對大時延欺騙信號的多峰檢測算法和針對小時延欺騙信號的FWHM檢測算法，通過聯(lián)合檢測在接收機(jī)信號捕獲階段完成對欺騙信號檢測與識別，通過仿真實驗驗證了算法的可行性，具有一定的工程應(yīng)用參考價值。