CN106093978A - 一种gnss授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，包括如下步骤：步骤S1：利用卫星播发报文的时间信息相互检验、接收多模多频点的GNSS卫星信号检测是否有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，若是，采用时间守时方法进行反欺骗，若否，转到步骤S2；步骤S2：检测本地钟差相邻时间差值是否大于预设的阈值，若是，判断有针对授时精度进行的信号欺骗，卫星接收机使用自动位置保持功能进入时钟守时状态或指示授时不可用；若否，判断无欺骗式干扰信号，程序退出。本发明采用电文比对、时间守时和自动位置保持等方法，进而达到授时型卫星接收机反欺骗的目的。本发明实现方式简便易处理，且不增加产品成本。

Description

一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航授时应用方法，具体涉及一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法。

背景技术

随着卫星导航技术的发展及其应用领域的不断扩大，卫星授时同步技术已在电力、交通、通信、银行和金融等行业应用广泛。利用卫星授时可以实现广域范围的高精度时钟同步且成本低廉，特别是我国北斗卫星导航系统已正式投入运行，基于卫星时钟的同步技术在中国正发挥着越来越重要的作用，卫星授时型接收机的安全性日益突出。

卫星接收机面临着各种复杂的电磁干扰环境，分为有意干扰和无意干扰，无意干扰主要是指其它无线电设备发出的无意干扰，有意干扰主要是指压制式干扰和欺骗式干扰。压制式干扰是指进入接收机的干扰强度大于有用信号的强度，使接收机无法正常工作，压制式干扰可通过检测信号功率、信号来波方向等方法进行判决。欺骗式干扰可通过给出虚假的导航信号或信息来实现，可分为转发式欺骗干扰和产生式欺骗干扰。转发式欺骗干扰是通过对导航信号的转发来使卫星接收机解算出错误的位置信息；产生式欺骗干扰是模拟卫星的真实信号形式，产生虚假的导航电文的生成式干扰。转发式欺骗干扰可通过比较真实卫星信号和转发信号进行识别。欺骗式干扰功率低，干扰源不易被发现，同时干扰效果好，将使接收机解算出错误的位置信息，因此在工程应用中已被广泛使用，成为卫星导航接收机面临的一种重要威胁。

现在已有的发生式欺骗防御方法从三个层面来实现，分别是信号体制、终端技术和外部辅助。信号体制层面主要为扩频码加密和电文加密；终端技术层面包括信号处理层（如信号功率、残留信号、来波方向、凌波时刻、码和载波速率一致性、自动增益控制）、信息校验层（如星历历书校验和卫星时钟校验）和信息解算层（如接收机自主完好性检测、本地时钟变化率检测和多普勒频移检测）；外部辅助是指借助其它技术手段来识别欺骗信号，比如卫星导航系统互操性、与INS单元组合以及与其他无线电导航系统组合。以上处理手段有些是处理算法不好实现，有些则需要使用阵列天线成本较高，不适宜进行大范围的推广应用，本发明针对授时型卫星接收机的发生式欺骗信号，提供一种简便易处理的实现方式，且不增加产品成本。

反欺骗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卫星接收机的正常工作。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(Receiver AutonomousIntegrity Monitoring，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有反欺骗方法不能达到欺骗消除或需要增加额外天线或需要对现有卫星导航系统进行升级、改造、成本高，为解决上述问题，提供一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗干扰信号处理方法。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，包括如下步骤：

步骤S1：利用卫星播发报文的时间信息相互检验、接收多模多频点的GNSS卫星信号检测是否有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，若是，采用时间守时方法进行反欺骗，若否，转到步骤S2；

步骤S2：检测本地钟差相邻时间差值是否大于预设的阈值，若是，判断有针对授时精度进行的信号欺骗，接收机使用自动位置保持功能进入时钟守时状态或指示授时不可用；若否，判断无欺骗式干扰信号，程序退出。

步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：将每颗卫星电文里周内秒、周数和历书参数里的周内秒和周数进行比对，检测是否一致，如不一致，判断有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，转到步骤S13；若一致，转到步骤S12；

步骤S12：接收不同卫星导航系统的信号或相同卫星导航系统的不同频点的信号，针对不同频点的时间信息进行集中比对，检测是否存在错误的时间信息，若是，判断有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，转到步骤S13；若否，转到步骤S2；

步骤S13：对于卫星时间信息连续性进行识别，使用时间守时的方法，即受到欺骗信号的干扰后，授时型卫星接收机不再使用欺骗信号的错误时间，而在原来正确卫星时间信息的基础进行逐秒累加，进而达到卫星反欺骗的目的。

步骤S2中卫星接收机开机后选用自动实时定位模式，授时型卫星接收机在监测跟踪卫星的数量的同时监测卫星的仰角和方位角；当根据跟踪卫星的数量、仰角和方位角来判断卫星空间分布合理时，进行定位结果精度统计，统计一段时间后确定一个合理的定位结果作为授时型卫星接收机的本地坐标使用，此后授时过程中均始终使用该坐标值。

相对于现有技术，本发明提出了一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，采用电文比对、时间守时和自动位置保持等方法，进而达到授时型卫星接收机反欺骗的目的。在自动位置保持定位模式下，在正常工作过程中可消除因使用实时定位而引入的授时误差，提高授时精度；同时也可用于对欺骗信号的识别。本发明的GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，实现方式简便易处理，且不增加产品成本。

附图说明

图1是针对卫星时间信息进行信号欺骗的处理流程图。

图2是针对卫星授时精度进行信号欺骗的处理流程图。

具体实施方式

一般来说卫星导航系统的主要用途有定位和授时，导航卫星播放的信号包括观测量和广播电文。观测量主要是卫星信号发射时间信息，广播电文包括时间信息、卫星状态信息和星历数据等。授时型卫星接收机则是接收导航卫星播发的观测量和广播电文信息，进行处理后完成定位和输出时间信息，用于时间同步。目前全球范围内的全球定位导航系统包括美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统以及我国的北斗系统，每种卫星导航系统均可以在不同频点发送广播信号，授时型卫星接收机可以接收一种卫星导航系统信号，也可以同时接收多个卫星导航系统信号。授时型卫星接收机常内置于时钟同步设备内，通常具备静态工作的特点，同时卫星同步时钟要求较高的工作可靠性。

欺骗式干扰是指人为的建立卫星模拟源发射装置，模拟发生某个卫星导航系统的卫星信号，该种干扰信号可覆盖某个特定区域，使得该区域内的授时型卫星接收机接收到卫星模拟源播发的信号，该信号一般比正常的卫星信号功率强，从而使接收机不能正常接收真正的卫星信号。卫星模拟发射装置发播不正确的观测量或电文信息，使得该地区和其它地区的时间不能同步，从而引起各种不确定情况，甚至形成严重事故。

根据被干扰后造成的结果不同，欺骗式干扰信号对卫星授时机的干扰主要分为对时间信息的欺骗和对秒脉冲授时精度的干扰。对时间信息的欺骗在于修改卫星播发数据的时间信息，如周数、周内秒信息，通过对时间信息的修改达到破坏时间同步的目的。对秒脉冲授时精度的干扰主要通过更改观测量和某个或多个时延计算参数使授时精度变差，超出被授时设备的时钟同步误差允许门限。

针对时间信息的欺骗，通过三种途径进行反欺骗处理，每种卫星导航系统的处理方式类似，下面以北斗卫星导航系统为例进行说明：

（1）北斗卫星授时型接收机对比北斗电文中的周内秒计数（SOW）、整周计数（WN）和历书中的周计数（WNa）和历书参数toa是否一致判断该卫星信号是否为欺骗信号。北斗系统的时间基准为北斗时（BDT），起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒，采用周和周内秒计数，北斗时通过闰秒值转化后与UTC时间之间的偏差保证在1秒以内。每颗卫星播发的卫星报文中有周内秒计数（SOW）、整周计数（WN）和与UTC的闰秒差值，通过计算可得到正确的UTC时间信息。理论上说每颗卫星播发的卫星报文中周内秒计数（SOW）和整周计数（WN）与历书周计数（WNa）和历书参数toa应保持一致。欺骗信号如果只修改了周内秒计数（SOW）和整周计数（WN），授时型卫星接收机可以通过判断电文周内秒计数（SOW）、整周计数（WN）和历书中的周计数（WNa）和历书参数toa是否一致得出该卫星信号是否为欺骗信号。

（2）欺骗信号一般干扰某个卫星导航系统的某个特定频点的信号，授时型卫星接收机可通过接收多个卫星导航系统的信号，或者接收某个卫星导航系统的多个频点，不同卫星系统之间、不同频点之间的时间信息实时进行比对，找出不一致的信号即是欺骗信号。目前全球有四大卫星导航系统，每个导航系统的时间通过各自的闰秒处理后与UTC时间保持一致。单个卫星导航系统也可以通过多个频点发播电文信息，以北斗卫星导航系统为例，当前以B1频点（1561.098MHz）和B2频点（1207.140MHz）播发民用信号，每个频点播发的时间信息转化为UTC时间后是一致的。所以卫星授时型接收机可通过接收多个卫星导航系统的信号，或者接收某个卫星导航系统的多个频点，这样即使接收到了某个卫星导航系统某个频点的欺骗信号中同时修改了周内秒计数（SOW）和整周计数（WN），以及历书周计数（WNa）和历书参数toa，还可以通过该卫星导航系统的其它频点以及其它的卫星导航系统来识别出该欺骗信号。

（3）由于卫星欺骗信号在时间上有阶段性，欺骗信号持续的时间不可能太长，因此授时型卫星接收机可以通过对周内秒计数（SOW）和整周计数（WN）的正确性进行判决，发现由于存在欺骗信号导致时间错误后，可通过时间守时来度过欺骗信号存在的时间段。时间守时是指根据卫星信号在原来正确时间的基础上时间逐秒进行累加，而不采用欺骗信号的错误时间，同时守时状态以告警形式通知后端时钟设备。时间守时的有效时间应从发现有欺骗信号开始，持续1天以上，以便时钟设备和用户发现，采取有效的应对措施。

针对授时精度的欺骗，通过设置授时型卫星接收机选择自动位置保持模式提高识别欺骗信号的成功率。授时型卫星接收机工作时大部分处于静止状态，其定位坐标是固定不变的，所以在实际应用中可在跟踪卫星数量较多时进行位置保持状态，即在不关机的情况下本地坐标不发生变化。如果授时型卫星接收机采用3D实时定位模式，位置的实时更新会引起本地钟差的变化，进而会影响卫星授时精度。不容易分辨是欺骗信号还是位置的变化导致的精度损失；而采用自动位置保持定位模式，则排除实时定位对授时精度的影响。在本地坐标已确定的情况下，可根据本地钟差的相邻时间差值提高识别信号欺骗的成功率。

针对授时精度的欺骗，通过以下途径进行反欺骗处理，每种卫星系统的处理方式类似，下面以同样以北斗卫星为例进行说明。

大多授时型卫星接收机需要内置于时钟装置中使用，在电信，电力等行业领域的时钟装置都是安装于基站或变电站、电厂中，工作时处于静止状态，也就是其位置是固定不动的。在时钟装置安装时设置卫星授时型接收机使用自动位置保持定位模式，自动位置保持是指卫星接收机开机后首先为自动实时定位模式，同时监测北斗、GPS等GNSS卫星导航系统，统计跟踪卫星的数量，同时结合仰角和方位角。在跟踪卫星数量较多时利用GNSS的组合卫星星座统计定位结果精度，统计一段时间后定位结果稳定后将该定位结果作为授时型卫星接收机的本地坐标使用，此后授时过程中均始终使用该坐标值。在自动位置保持定位模式下，在正常工作过程中可消除因使用实时定位而引入的授时误差，提高授时精度；同时也可用于对欺骗信号的识别。

授时型卫星接收机进行授时算法处理时需要用到本地钟差来调整本地时标信号的相位。本地钟差的公式如下所示：

本地钟差=伪距-星地传输时延-对流层时延-电离层时延

上述公式中伪距可根据卫星播发的观测量得到，星地距离为导航卫星到用户接收天线的距离，利用卫星坐标和本地坐标进行计算。在实际工作中可根据历史数据对伪距和卫星坐标进行自适应滤波来预测当前的数据，再与实时接收的数据进行求差，因为使用自动位置保持模式，本地坐标不发生变化，排除了实时定位引入的误差，如果计算差值超过门限则认为伪距和卫星位置可能来自欺骗信号。一般授时型接收机仅对伪距和卫星位置的异常变化有应对措施，而对电离层延迟改正参数没有监测其是否正常。卫星信号经过电离层产生的时延变化范围一般在几纳秒到100纳秒左右，相邻时间变化值一般小于30纳秒。判断其是否在正常范围变化，如果电离层时延值异常，即电离层延迟改正参数异常变化，可能存在欺骗信号。对流层时延值变化范围在几纳秒到80纳秒左右，相邻时间的变化值只有几纳秒。综上所述，本地钟差相邻时间内差值范围一般远低于100纳秒，如果短时间内有较大变化，则认为可能存在欺骗信号，从而进入时钟守时状态或指示授时不可用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：利用卫星播发报文的时间信息相互检验、接收多模多频点的GNSS卫星信号检测是否有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，若是，采用时间守时方法进行反欺骗，若否，转到步骤S2；

步骤S2：检测本地钟差相邻时间差值是否大于预设的阈值，若是，判断有针对授时精度进行的信号欺骗，卫星接收机使用自动位置保持功能进入时钟守时状态或指示授时不可用；若否，判断无欺骗式干扰信号，程序退出。

2.根据权利要求1所述的GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：将每颗卫星电文里周内秒、周数和历书参数里的周内秒和周数进行比对，检测是否一致，如不一致，判断有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，转到步骤S13；若一致，转到步骤S12；

步骤S12：接收不同卫星导航系统的信号或相同卫星导航系统的不同频点的信号，针对不同频点的时间信息进行集中比对，检测是否存在错误的时间信息，若是，判断有针对卫星时间信息进行的信号欺骗，转到步骤S13；若否，转到步骤S2；

步骤S13：对于卫星时间信息连续性进行识别，使用时间守时的方法，即受到欺骗信号的干扰后，卫星接收机不再使用欺骗信号的错误时间，而在原来正确卫星时间信息的基础进行逐秒累加，进而达到卫星反欺骗的目的。

3. 根据权利要求1 所述的GNSS授时型卫星接收机的反欺骗式干扰信号处理方法，其特征在于：步骤S2中卫星接收机开机后选用自动实时定位模式，卫星接收机在监测跟踪卫星的数量的同时监测卫星的仰角和方位角；当根据跟踪卫星的数量、仰角和方位角来判断卫星空间分布合理时，进行定位结果精度统计，统计一段时间后确定一个合理的定位结果作为卫星接收机的本地坐标使用，此后授时过程中均始终使用该坐标值。