CN105204035A - 卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置，所述方法包括：S1、获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；S2、获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。通过本发明，不仅可以有效防御转发式欺骗攻击，保障用户在即使遭受多个转发式欺骗源同时发起攻击时还能正常使用卫星导航系统，而且在只有一个转发式欺骗源的情况下还可以反向确定欺骗源的位置，为进一步实现欺骗源清除提供必要信息。

Description

卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统领域，具体涉及一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置。

背景技术

全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，简称GNSS)，包括美国全球定位系统(GlobalPositioningSystem，简称GPS)、欧盟伽利略(Galileo)、中国北斗等，能够为全球用户提供准确的定位、导航、授时服务，由于良好的性能和低廉的使用成本，已经广泛应用于商业、运输、电力、航空、航天、救灾等领域，另外在军事上也有极其重要的地位。但导航卫星距离地球较远，到达地面的信号功率微弱，民用导航系统结构开放，信号体制公开，且现有接收机出于历史原因没有加入抗欺骗手段，这些因素使人为欺骗卫星导航接收机成为可能。欺骗攻击是一种恶意干扰，通过向接收机发送伪造或经过延迟的导航信号，可以误导接收机产生错误的位置和时间信息。现在已有成功针对轮船、智能电网和证券交易所数据中心的欺骗试验报道，因此研究实际可用的卫星导航系统欺骗防御方法意义重大。

现在已有的欺骗防御方法大致可分为欺骗检测和欺骗消除两类。欺骗检测主要目的是鉴别当前所处理信号中是否存在欺骗信号，若存在则给出告警信息；欺骗消除主要致力于减轻甚至消除欺骗信号的影响，使欺骗攻击无法影响用户接收机的正常工作。在已经提出的欺骗防御措施中，信号功率监测、信号质量监测不能达到欺骗消除的作用，且对信号质量要求较高，需要高增益天线对信号进行接收。接收机自主完好性监测(ReceiverAutonomousIntegrityMonitoring，RAIM)方法开销小，不需额外的硬件资源，但不适用于多个欺骗信号存在的情况。基于多天线技术的欺骗检测和消除技术效果较好，但需要增加额外天线，成本较高。导航信息验证、扩频安全码技术可以防止民用信号伪造，但不能防御转发式欺骗，同时还需要对现有卫星导航系统进行升级、改造，成本较高。

目前常用的欺骗检测方法包括多峰检测和信号质量监测方法。多峰检测方法是比较常用的一种反欺骗方法，该方法工作在导航接收设备的伪码捕获阶段。在没有欺骗信号存在的情况下，当设置有合适的捕获门限时，一般仅有一个大于门限的相关峰值；若存在欺骗信号，则会有多个大于门限的相关峰值。因此，利用该差异性，即当检测出存在多个大于门限的相关峰时，就可判断当前接收信号中存在欺骗信号。

信号质量监测方法工作在导航接收设备的信号跟踪阶段。它是在接收设备跟踪环路中通过监测信号质量畸变来检测欺骗信号的一种方法。由于某些欺骗信号会影响导航接收设备接收处理导航信号时的码环和载波环，因此采用合理的信号质量监测机制可以在一定程度上达到检测欺骗信号的目的。信号质量监测方法通过判断某个监测的度量值是否超出某个预设门限来判断当前是否存在欺骗信号。其中一种常用的信号质量监测度量标准如下：

$M\[k\]=\frac{I_E\[k\]+I_L\[k\]}{{\mathrm{\αI}}_P\[k\]}---\left(1\right)$

其中I_E[k],I_P[k],I_L[k]分别是接收设备跟踪环路相关器的超前(E)、当前(P)、滞后(L)三路相关值，α是接收设备延迟锁定环路所用鉴别函数的斜率，k是下标表示第k次观测值。另一种常见的信号质量监测度量标准如下：

$M_{\mathrm{\δ}}\[k\]=\frac{{(I_E\[k\])}^{\frac{\mathrm{\δ}}{2}}+{(I_L\[k\])}^{\frac{\mathrm{\δ}}{2}}}{{\mathrm{\αI}}_P\[k\]}---\left(2\right)$

其中δ表示接收设备跟踪环路的超前与滞后路之间的相关器间距。

由于卫星导航系统播发的民用信号周期较短，伪码捕获时，经转发延迟后的欺骗信号既可提前于真实信号到达目标接收设备也可以晚于真实信号到达，因此这种多峰检测的方法往往无法识别真实信号，易受欺骗攻击影响。信号质量监测方法能在一定程度上检测出当前是否存在欺骗信号，但同样无法识别出哪些是真实信号、哪些是欺骗信号，易受欺骗攻击影响。

发明内容

针对当前技术无法准确识别出真实信号、易被欺骗攻击所影响的问题，本发明提出一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置。

第一方面，本发明提出一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法，包括：

S1、获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

S2、获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

优选地，步骤S1包括：

S11、选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

S12、获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

优选地，步骤S2包括：

根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。

优选地，步骤S2包括：

当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

优选地，步骤S11之前包括：

S01、对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

S02、对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。

第二方面，本发明还提出一种卫星导航转发式欺骗攻击防御装置，包括：

处理通道获取模块，用于获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

欺骗攻击防御模块，用于获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

优选地，所述处理通道获取模块包括：

欺骗攻击识别单元，用于选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

欺骗通道获取单元，用于获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

优选地，所述欺骗攻击防御模块还包括根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。

优选地，所述欺骗攻击防御模块还包括当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

优选地，还包括：

信号捕获模块，用于对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

信号牵引模块，用于对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。

由上述技术方案可知，通过本发明的卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置，不仅可以有效防御转发式欺骗攻击，保障用户在即使遭受多个转发式欺骗源同时发起攻击时还能正常使用卫星导航系统，而且在只有一个转发式欺骗源的情况下还可以反向确定欺骗源的位置，为进一步实现欺骗源清除提供必要信息，进而达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种卫星导航转发式欺骗攻击防御装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种采用本发明方法的GPS接收机在遭受转发欺骗攻击后输出的定位结果。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本发明一实施例提供的一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1、获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

S2、获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

通过本实施例的卫星导航转发式欺骗攻击防御方法，不仅可以有效防御转发式欺骗攻击，保障用户在即使遭受多个转发式欺骗源同时发起攻击时还能正常使用卫星导航系统，达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的。

作为本实施例的优选方案，步骤S1包括：

S11、选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

具体地，第一类通道包含欺骗信号，第二类通道可能包含也可能不包含欺骗信号；其中，第一类通道为同一个卫星号对应的处理通道数量大于等于两个的通道，第二类通道为同一个卫星号对应的处理通道数量为一个的通道。

S12、获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

进一步地，步骤S2包括：

根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。

进一步地，步骤S2还包括：

当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

在只有一个转发式欺骗源的情况下，还可以反向确定欺骗源的位置，为进一步实现欺骗源清除提供必要信息，进而达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的。

更进一步地，步骤S11之前包括：

S01、对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

S02、对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。

其中，所述利用相同卫星号降序排列的处理通道中信号发射时间最大者进行定位解算，得到接收机正确的位置、时间信息。对于导航的接收机而言，由于真实信号直接到达接收机，而转发式欺骗信号要经过欺骗机转发后才能到达接收机，因此转发式欺骗信号有一明显特点，那就是其信号达到接收机的时间要晚于真实信号。同时，同一转发式欺骗源转发的欺骗信号间具有较好的协同性，不同欺骗源转发的欺骗信号由于欺骗机位置的不同而具有一定的不一致性。因此，本实施例按同一卫星信号发射时间大小关系分类处理的方式来实现对转发式欺骗信号的检测、识别和抑制，并在一定条件下利用所识别出的欺骗信号反向实施欺骗源定位。

为了更清晰地说明卫星导航转发式欺骗攻击防御方法，以下对其实施步骤进行举例说明：

A1、对接收到的信号进行信号捕获，并将所有大于等于预设捕获门限V_acq的相关值所对应的码相位和载波频率送入信号牵引通道；

A2、对送入牵引通道的信号，在牵引一段时间以后，将所有环路锁定值小于牵引门限V_pull的信号舍弃，将所有环路锁定值大于等于牵引门限V_pull的信号送入信号跟踪通道；

A3、待各通道的信号实现帧同步以后，提取各通道所接收处理信号的信号发射时间；

A4、对已提取到信号发射时间的接收通道，按卫星号将接收通道划分为两类：将同一卫星号(pseudorandomnoisecode，简称PRN号)有两个及以上通道正在接收处理的信号通道划归为第一类，将同一卫星号只有一个信号通道正在接收处理的信号通道划归为第二类；

A5、对A4中的第一类信号，将接收处理同一卫星号的信号通道按信号发射时间大小从大到小进行排序；

A6、选择接收处理同一卫星号的信号通道中发射时间最大者，利用这些信号进行定位解算，所得位置结果为接收机真实位置，所得时间结果为接收机定位解算时的导航系统时间；

A7、当相同卫星号接收处理通道数为2时，选择接收处理同一卫星号的信号通道中发射时间次大者，利用这些信号进行定位解算，所得位置结果为转发式欺骗源的位置。

举例来说，以GPS粗测距码(C/A码)信号为例讲述该方法的实施步骤。但方法的实施并不局限于特定的信号及具体的参数，可灵活选择。测试的信号环境及参数如下：GPS天线接收到的真实卫星信号包括卫星号(PRN号)为1、3、4、6、11、17、19、28、30、32的GPS信号以及QZSS系统发射的PRN号为193的GPS信号；同时利用转发式欺骗机对这些卫星信号进行转发式欺骗攻击。预设的牵引门限V_pull为0.8。实施步骤如下：

B1、将接收到的GPSC/A信号下变频至基带，得到基带信号；

B2、以5MHz采样率对步骤B1所得的基带信号进行采样，并对采样后的基带信号进行伪码捕获；

B3、将所有大于等于预设捕获门限的相关值所对应的码相位和载波频率送入信号牵引通道，舍弃小于预设捕获门限的相关值；

B4、在牵引3s以后，将所有环路锁定值小于牵引门限V_pull＝0.8的信号舍弃，将所有环路锁定值大于等于0.8的信号送入跟踪通道；

B5、待各通道信号实现帧同步以后，提取各通道信号的信号发射时间；

B6、对已提取到信号发射时间的接收通道，按卫星号将接收通道划分为两类：第一类信号包括卫星号为{1,3,4,6,11,17,19,28,30,32,193}的信号，第二类信号为空(即没有信号通道划归为第二类)。

对第一类信号，各接收通道接收处理的卫星号、测量得到的信号发射时间如表1所示。

表1

B7、将步骤B6中接收处理同一卫星号的信号通道按信号发射时间大小从大到小进行降序排序；

B8、选择接收处理同一卫星号的信号通道中发射时间较大者(即表1中备注为“大”者)，利用这些信号进行定位解算，得到位置结果为：北纬40.001495度、东经116.330107度、高度72.317993米，这就是接收机的真实位置；所得时间结果为359916.4648030514s，这是定位解算时的GPS时间；

B9、选择接收处理同一卫星号的信号通道中发射时间较小者(即表1中备注为“小”者)，利用这些信号进行定位解算，得到位置结果为：北纬40.001502度、东经116.330071度、高度80.787426米，这就是欺骗机的位置；可得时间结果为359916.4644181894s，这是欺骗机转发GPS信号的时间。该时间与步骤B8所得时间作差，其差值为0.000384862s，这就是转发欺骗信号的时延。

图2示出了本实施例提供的一种卫星导航转发式欺骗攻击防御装置的结构示意图，包括：

处理通道获取模块11，用于获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

欺骗攻击防御模块12，用于获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

通过本实施例的卫星导航转发式欺骗攻击防御方法，可以有效防御转发式欺骗攻击，保障用户在即使遭受多个转发式欺骗源同时发起攻击时还能正常使用卫星导航系统，达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的。

作为本实施例的优选方案，所述处理通道获取模块11包括：

欺骗攻击识别单元，用于选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

第一类通道包含欺骗信号，第二类通道可能包含也可能不包含欺骗信号；其中，第一类通道为同一个卫星号对应的处理通道数量大于等于两个的通道，第二类通道为同一个卫星号对应的处理通道数量为一个的通道。

欺骗通道获取单元，用于获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

具体地，所述欺骗攻击防御模块12还包括根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。选择所述接收处理通道中信号发射时间最大的信号，并用之进行定位解算，可避免欺骗信号对用户的影响，得到接收机正确的位置、时间信息；

进一步地，所述欺骗攻击防御模块12还包括当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

在只有一个转发式欺骗源的情况下可以反向确定欺骗源的位置，为进一步实现欺骗源清除提供必要信息，进而达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的。

更进一步地，还包括：

信号捕获模块，用于对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

信号牵引模块，用于对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。

为了更清晰地说明卫星导航转发式欺骗攻击防御装置，以下对具体使用进行详细说明：

以GPS民用C/A码信号为例，实际测试了一个具体的欺骗场景。利用天线接收实际GPS卫星信号，同时将该信号通过一台GPS转发式欺骗机经一定信号延迟后输出欺骗信号。然后将接收到的实际信号和欺骗信号一同送入普通GPS接收机和采用了本发明的GPS接收机中进行接收处理。

如图3为本实施例提供的一种GPS接收机输出的定位结果，测试结果发现，普通GPS接收机在同时接收处理实际信号和欺骗信号时无法定位，而采用了本发明的GPS接收机不仅可以将信号区分为两类，而且可同时输出两个定位结果。其中与信号发射时间大者相对应的定位解算结果为接收机真实位置、所得时间结果为当前真实GPS时间，而与信号发射时间较小者相对应的定位解算结果为欺骗机位置、所得时间结果为欺骗机转发GPS信号的时间。

采用了本发明的GPS接收机将接收到的信号划分为两类：第一类信号包括卫星号为{1,3,4,6,11,17,19,28,30,32,193}的信号，第二类信号为空(即没有信号划归为第二类)。

对接收处理相同卫星号的通道，按信号发射时间大小，选出发射时间较大的信号通道(图3行中标注有L者)进行定位解算，可得定位解算所得位置结果为：北纬40.001495度、东经116.330107度、高度72.317993米，这就是接收机的真实位置；可得定位解算所得时间结果为359916.4648030514s，这是定位解算时的GPS时间。选出发射时间较小的信号通道(图3行中标注有E者)进行定位解算，可得定位解算位置结果为：北纬40.001502度、东经116.330071度、高度80.787426米，这是欺骗机的位置；可得定位解算所得时间结果为359916.4644181894s，这是欺骗机转发GPS信号的时间。这两个时间结果之差为0.000384862s，这是转发欺骗信号的时延。值得注意的是，试验时由于转发式欺骗机转发的欺骗信号与真实信号来自于同一天线，因此两类信号所得位置结果基本相同，相差仅在几米之内。该差值为GPS定位误差。尽管如此，利用本发明提供的装置，不仅可以排除欺骗信号的影响(普通接收机此时无法定位，而采用了本发明的接收机仍可定位)，而且通过比较定位解算所得时间结果可准确计算出欺骗信号时延。

本实施例首先对所有大于捕获门限的信号进行牵引、跟踪处理，然后利用信号发射时间对信号进行分类，并利用同一卫星信号发射大小关系来区分真实信号和欺骗信号。不仅可以有效防御转发式欺骗攻击，保障用户在即使遭受多个转发式欺骗源同时发起攻击时还能正常使用卫星导航系统，而且在只有一个转发式欺骗源的情况下还可以反向确定欺骗源的位置，为进一步实现欺骗源清除提供必要信息，进而达到防御转发式欺骗攻击、提高导航用户安全性的目的

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法，其特征在于，包括：

S1、获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

S2、获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

S12、获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S11之前包括：

S01、对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

S02、对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。

6.一种卫星导航转发式欺骗攻击防御装置，其特征在于，包括：

处理通道获取模块，用于获取每个卫星号对应的导航信号接收处理通道；

欺骗攻击防御模块，用于获取所述接收处理通道中每个信号的信号发射时间，选择信号发射时间最大的信号，标记为真实信号；并将所述接受处理通道的信号中除信号发射时间最大的信号之外的其余信号标记为转发式欺骗攻击信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理通道获取模块包括：

欺骗攻击识别单元，用于选择同一卫星号至少有两个跟踪通道在进行跟踪处理的卫星号，得到存在转发式欺骗攻击的卫星号；

欺骗通道获取单元，用于获取每个存在转发式欺骗攻击的卫星号对应的导航信号接收处理通道。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述欺骗攻击防御模块还包括根据所述真实信号的信号发射时间，进行定位解算得到接收机正确的位置和时间信息。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述欺骗攻击防御模块还包括当同一卫星号的导航信号接收处理通道数为2时，根据转发式欺骗攻击信号的信号发射时间，进行定位解算得到转发式欺骗源的位置。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

信号捕获模块，用于对接收信号进行伪码捕获，得到大于等于预设捕获门限的相关值对应的码相位和载波频率，并利用捕获得到的码相位和载波频率对信号进行牵引处理；

信号牵引模块，用于对所述牵引处理的信号，牵引预设时间后，对环路锁定值大于等于预设牵引门限的信号进行跟踪处理。