CN106291591A - 用载波相位和惯性传感器的全球导航卫星系统（gnss）欺骗检测 - Google Patents

用载波相位和惯性传感器的全球导航卫星系统（gnss）欺骗检测 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用载波相位和惯性传感器的全球导航卫星系统（GNSS）欺骗检测，并且提供一种检测欺骗攻击的系统。该系统包括：卫星运动和接收器时钟校正模块、计算预测的范围和增量范围模块、减法器以及增量范围差检测逻辑。卫星运动和接收器时钟校正模块向减法器的第一输入输出用于当前历元的校正的增量载波相位范围。计算预测的范围和增量范围模块向减法器的第二输入输出预测的增量范围。预测的增量范围基于为当前历元观察的惯性测量。减法器向增量范围差检测逻辑输出用于当前历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差。如果差超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑确定GNSS接收器在当前历元中被欺骗。

Description

用载波相位和惯性传感器的全球导航卫星系统（GNSS）欺骗 检测
背景技术
全球导航卫星系统（GNSS）是用于查明GNSS接收器的地理位置的卫星系统。GNSS系统的欺骗典型地用于使得从使用GNSS卫星系统的交通工具中的导航系统输出错误的导航数据。图2A示出在未受保护的交通工具51上的示范性的GNSS欺骗攻击。如图2A中所示，欺骗系统包括天线306，天线306从在交通工具51视野中的多个各自的卫星351、352和353经由无线数据链路321、322和323输入卫星信号。在天线306处接收的卫星信号由欺骗器电子设备和逻辑305修改。欺骗系统还包括天线307，天线307经由无线数据链路315向交通工具51上的导航系统发射修改的卫星信号。在未受保护的交通工具51的GNSS接收器处经由数据链路315接收的修改的卫星信号比在GNSS接收器110处从各自的天线351、352和353经由无线数据链路311、312和313接收的真实的未修改的卫星信号的振幅强。以这种方式，欺骗器电子设备和逻辑305向交通工具51提供错误数据，因此交通工具51中的导航系统指示：交通工具51在不同于交通工具51的实际位置的位置。
航空业和航海业期望保护高价值资产（例如航空器和基于水的交通工具）免于欺骗攻击的反欺骗能力。当前可用的检测欺骗攻击的技术需要在交通工具上的还可以被链接和移动的多个天线。由于它给GNSS安装增加显著成本，这不是理想的解决方案。
当前可用的反欺骗技术中的一些识别从用于生成导航解决方案的数据排除的离群GNSS数据。离群数据可以是来自代码或载波多普勒频移的残留信号。
在其它当前可用的技术中，惯性传感器为GNSS使能的设备提供加速度测量。GNSS使能的设备的位置基于已知位置和加速度测量而被近似。比较近似位置与接收的定位数据，以确定接收的定位数据是否在预测的置信区间内。
发明内容
本申请涉及一种检测欺骗攻击的系统。该系统包括：卫星运动和接收器时钟校正模块、计算预测的范围和增量范围模块、减法器以及增量范围差检测逻辑。卫星运动和接收器时钟校正模块通信地耦合，以从全球导航卫星系统（GNSS）接收器周期性地输入用于GNSS接收器视野中的多个卫星的载波相位范围。卫星运动和接收器时钟校正模块通信地耦合，以向减法器的第一输入输出用于当前历元（epoch）的校正的增量载波相位范围。计算预测的范围和增量范围模块通信地耦合，以向减法器的第二输入输出预测的增量范围。预测的增量范围基于为当前历元观察的惯性测量。减法器向增量范围差检测逻辑输出用于当前历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差。增量范围差检测逻辑确定差是否超过选择的范围阈值。如果差超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑确定GNSS接收器在当前历元中被欺骗。
附图说明
要理解的是：图仅仅描绘示范性的实施例，并且因此不被视为限制范围，将用附加特征和细节、通过使用附图来描述示范性的实施例，在附图中：
图1图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统的实施例；
图2A示出在未受保护以免于欺骗攻击的交通工具上的示范性的GNSS欺骗攻击；
图2B​​示出根据本申请的容纳图1的系统以检测GNSS欺骗的交通工具上的示范性的GNSS欺骗攻击；
图3图示根据本申请的使用图1的系统检测GNSS欺骗的方法的实施例；
图4图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统的实施例；
图5A图示由图4的系统为第一多个历元生成的示范性的第一曲线和第二曲线；
图5B图示由图4的系统为第二多个历元生成的示范性的第一曲线和第二曲线；
图6图示根据本申请的使用图4的系统检测GNSS欺骗的方法的实施例；
图7图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统的实施例；以及
图8图示根据本申请的使用图7的系统检测GNSS欺骗的方法的实施例。
根据通常实践，各种所述的特征未按比例绘制，而是经绘制以强调与示范性的实施例相关的具体特征。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，对形成其一部分的附图做出参考，并且在附图中通过图示的方式示出具体说明性的实施例。然而，将理解的是：可利用其它实施例，并且可进行逻辑、机械和电气变化。此外，在绘制的图和说明书中提出的方法不应被解释为限制可以其执行单独的步骤的次序。因此下面的具体实施方式不应被以限制意义来理解。
以下所述的系统和方法的实施例能够使用附连到交通工具的单个固定的天线来检测欺骗。在本文所述的实施例的实现方式中，基于逐个历元、使用逻辑处理技术来确定GNSS载波相位可观察量（即校正的增量载波相位范围）与基于惯性的预测的增量距离之间的差，以检测指示发生在当前历元中的欺骗的小变化和意外的差。以下参照图1和3描述一个这样的实现方式。逐个历元技术检测使得GNSS接收器位置跳跃的欺骗。
在本文所述的实施例的其它实现方式中，曲线拟合技术用于确定缓慢欺骗攻击在多个历元期间是否在进行中。在缓慢欺骗攻击中，攻击者缓慢地提升正被发送给交通工具的信号中的误差。由于误差如此逐渐地变化，缓慢欺骗攻击不可由逐个历元检测系统辨识。为了检测缓慢欺骗攻击，GNSS载波相位可观察量（即校正的载波相位范围）针对多个历元的全部或大部分而收集，并且用于生成第一曲线。基于惯性的预测范围也针对相同的多个历元中的全部或大多数而收集，并且用于生成第二曲线。在用于第一曲线和第二曲线的参数之间的任何意外的差指示在最后多个历元期间发生的欺骗。以下参照图4-6描述检测缓慢欺骗攻击的一个这样的实现方式。
在本文所述的实施例的其它实现方式中，实现检测缓慢欺骗的逐个历元检测逻辑和曲线拟合技术两者，以检测缓慢欺骗攻击并快速地检测强烈的突然欺骗攻击。以下参照图7-8描述一个这样的实现方式。
一些现有技术欺骗检测系统使用来自GNSS接收器（或来自惯性传感器）的位置域信息或使用来自GNSS接收器的载波相位。现有技术欺骗检测系统不使用在用于GNSS接收器视野中的卫星中的每一个的两个连续历元之间的载波相位范围（即增量载波相位范围）的（校正或未校正的）变化。同样地，现有技术欺骗检测系统不使用曲线拟合技术来检测缓慢欺骗攻击。增量载波相位中的非常小的误差的关键特性使得该技术能够比在位置域中操作的现有技术中的方法更有效。
历元是GNSS接收器为GNSS接收器视野中的卫星发送一组测量（例如一组范围）的那个时间。在本实施例的一个实现方式中，GNSS接收器以1Hz（即1/秒）的速率发送该组测量。惯性传感器以50Hz到100Hz（即每秒50至100次）的速率典型地发送惯性测量。
通过载波信号的波长乘以累积的载波相位，获得GNSS接收器和卫星之间的载波相位范围（距离），累积的载波相位在本领域中也被称为集成的载波相位。在本文中可互换地使用术语“载波相位”和“载波相位范围”。如本文所使用，“预测的范围”是在接收器与卫星之间的基于观察的惯性测量获得的范围（距离）。如本文所使用，术语“预测的增量范围”是在接收器和卫星之间、在当前历元和最后一个历元（即正好在当前历元之前的历元）之间的范围的变化。
通过使用如由卫星提供的轨道星历数据来计算在当前历元和最后一个历元的卫星位置并且针对已知的卫星运动、接收器时钟误差和误差率进行校正，获得用于当前历元的校正的载波相位范围。虽然如使用广播星历计算的轨道信息不准确到比几毫米好，但是历元到历元误差非常小。计算在用于当前历元的校正的载波相位范围以及用于最后一个历元的校正的载波相位范围之间的差，以从一个历元到下一个连续的历元获得校正的增量载波相位范围。在典型的实施例中，可使用那些测量连同惯性传感器数据一起计算校正的载波相位和增量载波相位，以支持卡尔曼滤波器。
图1图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统10的实施例。图2B示出根据本申请的在容纳图1的系统10以检测GNSS欺骗的交通工具50上的示范性的GNSS欺骗攻击。图2B与图2A的不同之处在于：图2A中的交通工具51未受保护以免于欺骗攻击，而图2B的交通工具50包括系统10以保护交通工具50。系统10被配置成检测并防止附连在通信地耦合到GNSS的全球导航卫星系统（GNSS）接收器110（图1）上的欺骗。GNSS系统包括多个卫星351、352和353，多个卫星351、352和353经由各自的无线链路311-313通信地耦合到图2B中所示的交通工具51中的GNSS接收器110。交通工具50上的系统10检测欺骗事件，并采取补救措施来防止来自欺骗器电子设备和逻辑305的修改的数据免于用在交通工具50的位置的计算中。图3图示根据本申请的使用图1的系统10检测GNSS欺骗的方法300的实施例。如果检测GNSS欺骗，方法300防止在交通工具51（图2B）中的GNSS接收器110上的欺骗攻击。
系统10包括全球导航卫星系统（GNSS）接收器110、卫星运动和接收器时钟校正模块210、惯性传感器120、计算预测的范围和增量范围模块220、增量范围差检测逻辑230、减法器225和处理器215。卫星运动和接收器时钟校正模块210、计算预测的范围和增量范围模块220以及增量范围差检测逻辑230包括算法和存储器高速缓存。在本实施例的一个实现方式中，卫星运动和接收器时钟校正模块210、计算预测的范围和增量范围模块220以及增量范围差检测逻辑230还包括内部处理器来执行算法。在本实施例的另一个实现方式中，卫星运动和接收器时钟校正模块210、计算预测的范围和增量范围模块220以及增量范围差检测逻辑230中的算法由一个或多个处理器215执行，一个或多个处理器215在卫星运动和接收器时钟校正模块210、计算预测的范围和增量范围模块220以及增量范围差检测逻辑230外部。估计的交通工具状态40被输入到计算预测的范围和增量范围模块220。估计的交通工具状态40是由包括系统10的较大导航系统计算的导航解决方案。
全球导航卫星系统（GNSS）接收器110从多个各自的卫星351，352和353经由无线数据链路311、312和313通信地耦合到输入数据。GNSS接收器110测量GNSS接收器110与各自的卫星351-353（图2B）中的每一个之间的范围（距离）。基于卫星的轨道运动、在交通工具上的天线随时间的过去的运动以及时钟误差，用于卫星的范围测量随时间过去而变化。测量的范围用于计算容纳系统10的交通工具50的位置。GNSS接收器110和相关联的导航系统正确地确定交通工具50的位置（无论交通工具50是否经历欺骗攻击）。
基于卫星351-353的运动、在被欺骗时正在典型地移动的交通工具50上的天线的运动、以及GNSS接收器110中的时钟误差，确定GNSS接收器110的位置的变化。基于伪范围和载波相位，GNSS接收器110确定对卫星351-353的范围测量。在本文所述的方法中不使用伪范围。每个历元周期性地处理一次来自卫星351-353的数据。历元的周期可以基于时间信号，或者是离协调的通用时间（UTC）的偏移，这取决于卫星系统的类型。
全球导航卫星系统（GNSS）接收器110通信地耦合，以向卫星运动和接收器时钟校正模块210周期性地（以历元的周期）输出信息，该信息为在GNSS接收器110视野中的多个卫星351-353指示载波相位范围。指示载波相位范围的信息在本文中被称为“载波相位”或“载波相位范围”。卫星运动和接收器时钟校正模块210通信地耦合，以从GNSS接收器110周期性地输入指示载波相位范围的信息。卫星运动和接收器时钟校正模块210还通信地耦合，以从GNSS接收器110周期性地输入卫星和时钟信息。
第一卫星351的载波相位是从第一卫星351发射并在GNSS接收器110处检测的载波信号的累积的相位。第二卫星352的载波相位是从第二卫星352发射并在GNSS接收器110处检测的载波信号的累积的相位。同样地，第N卫星353的载波相位是从第N卫星353发射并在GNSS接收器110处检测的载波信号的累积的相位。
第一载波相位范围是在第一历元、在GNSS接收器110与在GNSS接收器视野中的第一卫星351之间的距离。第二载波相位范围是在第二历元、在GNSS接收器和第一卫星351之间的距离。第二历元顺序地跟随第一历元。第一增量载波相位范围是第一载波相位范围和第二载波相位范围之间的差。
第三载波相位范围是在第一历元、在GNSS接收器110与在GNSS接收器视野中的第二卫星352之间的距离。第四载波相位范围是在第二历元、在GNSS接收器110和第二卫星352之间的距离。第二增量载波相位范围是第三载波相位范围和第四载波相位范围之间的差。
如果N卫星在第一和第二历元在GNSS接收器的视野内，则第2N载波相位范围是在第一历元、在GNSS接收器110和第N卫星353之间的距离。第（2N+1）载波相位范围是在第二历元、在GNSS接收器110和第N卫星353之间的距离。第N增量载波相位范围是第2N载波相位范围和第（2N+1）载波相位范围之间的差。
在第一历元，卫星运动和接收器时钟校正模块210输入第一载波相位范围、第三载波相位范围和第（2N+1）载波相位范围。在第二历元，卫星运动和接收器时钟校正模块210输入第二载波相位范围、第四载波相位范围和第（2N）载波相位范围。对于N个卫星351-353中的每一个，卫星运动和接收器时钟校正模块210输出校正的增量载波相位范围。
校正的载波相位范围和校正的增量载波相位范围被计算为卫星运动和接收器时钟校正模块210中GNSS位置解决方案计算的一部分。通过首先从原始范围数据移除由已知的卫星运动造成的范围变化，并且然后移除时钟误差，获得校正的增量载波相位范围。为已知的接收器时钟误差和误差率校正第一增量载波相位范围，以形成第一校正的增量载波相位范围。为已知的接收器时钟误差和误差率校正第二增量载波相位范围，以形成第二校正的增量载波相位范围。为已知的接收器时钟误差和误差率校正第N增量载波相位范围，以形成第N校正的增量载波相位范围。
虽然GNSS接收器110以及卫星运动和接收器时钟校正模块210正在为多个卫星351-353生成校正的增量载波相位范围，但是惯性传感器120和计算预测的范围和增量范围模块220正在基于惯性数据、为多个卫星351-353生成预测的增量范围。惯性传感器120包括至少一个加速度计121和/或至少一个陀螺仪122。在本实施例的一个实现方式中，惯性传感器120包括两个加速度计121和两个陀螺仪122。在本实施例的另一个实现方式中，惯性传感器120包括三个加速度计121和三个陀螺仪122。在典型的实施例中，从如由卡尔曼滤波器提供的导航状态估计计算预测的范围和增量范围。
在计算预测的范围和增量范围模块220处周期性地输入（以惯性导航系统的周期）来自惯性传感器120的惯性测量。基于来自惯性传感器120的惯性数据，计算预测的范围和增量范围模块220为最后一个历元、为在GNSS接收器110视野中的每个卫星351-303计算离计算预测的范围和增量范围模块220的预测的增量范围。第一预测的增量范围是在GNSS接收器110和第一卫星351之间、在当前历元和最后一个历元之间的范围的变化。第二预测的增量范围是在GNSS接收器110和第二卫星352之间、在当前历元和最后一个历元之间的范围的变化。第N预测的增量范围是在GNSS接收器110和第N卫星353之间、在当前历元和最后一个历元之间的范围的变化。
校正的增量载波相位范围被从卫星运动和接收器时钟校正模块210输入到减法器225的第一输入226。具体地，对于当前历元、对于在GNSS接收器110视野中的N个卫星351-353，第一校正的增量载波相位范围、第二校正的增量载波相位范围以及从第三校正的增量载波相位范围至第N校正的增量载波相位范围的所有校正的增量载波相位范围被输入到减法器225的第一输入226。
预测的增量范围被从计算预测的范围和增量范围模块220输入到减法器225的第二输入227。具体地，对于在GNSS接收器110视野中的N个卫星351-353，第一预测的增量范围、第二预测的增量范围以及从第三预测的增量范围至第N预测的增量范围的所有预测的增量范围被输入到减法器225的第二输入227。以这种方式，减法器225为当前历元、为在GNSS接收器110视野中的每个卫星提供在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差（参见方法300的块302）。
对于GNSS接收器110视野中的每个卫星、对于当前历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差被从减法器225的输出228输出到增量范围差检测逻辑230。对于示范性的当前历元，减法器225输出：在第一校正的增量载波相位范围和第一预测的增量范围之间的差；在第二校正的增量载波相位范围和第二预测的增量范围之间的差；以及在第三（例如第N）校正的增量载波相位范围和第三（例如第N）预测的增量范围之间的差。
增量范围差检测逻辑230确定GNSS接收器110在当前历元期间是否被欺骗。在本实施例的一个实现方式中，增量范围差检测逻辑230确定差是否超过选择的范围阈值，以便确定：对于卫星N，GNSS接收器110在当前历元期间被欺骗（参见方法300的块304）。在本实施例的另一个实现方式中，选择的范围阈值由系统10的设计者设定。在典型的实施例中，如果在增量范围中为特定的卫星N检测欺骗，该卫星在时间段中不用于未来的位置计算，直到确定欺骗不再存在。
如果对于当前历元的差中的任何一个超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑230确定：对于卫星N，GNSS接收器110在当前历元期间被欺骗，并且方法300的流程从块304移动到块306。
在块306处，采取补救措施。补救措施包括在由交通工具50中的导航系统计算交通工具状态时移除欺骗的数据，欺骗的数据被从欺骗器电子设备和逻辑305经由数据链路315发送。在本实施例的一个实现方式中，增量范围差检测逻辑230确定在第二校正的增量载波相位范围和第二预测的增量范围之间的差超过选择的范围阈值，而在第一校正的增量载波相位范围和第一预测的增量范围之间的差以及在第N校正的增量载波相位范围和第N预测的增量范围之间的差不超过选择的范围阈值。在这种情况下，来自第二卫星352的数据被欺骗，并且在确定当前和未来的导航解决方案时不由导航系统使用。方法300的流程从块306进行到块308。
如果在块304处确定：GNSS接收器110在当前历元期间不被欺骗，并且方法300的流程从块304移动到块308。在块308处，确定当前历元是否不是最后一个历元（即：对于新的历元，新的一组数据是否已经被从GNSS接收器110输入到卫星运动和接收器时钟校正模块210）。如果当前历元不是最后一个历元，流程继续循环回到块308，直到当前历元现在是最后一个历元，并且方法300的流程进行返回到块302。以这种方式，每个历元检查到GNSS接收器110的输入的欺骗攻击。由于校正的增量载波相位范围和预测的增量范围是准确和精确的值，系统10准确地检测欺骗攻击，具有很少的（如果有的话）错误检测。
图4图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统11的实施例。图5A图示由图4的系统为第一多个历元e1-en生成的示范性的第一曲线501和第二曲线502。图5B图示由图4的系统为第二多个历元em-e(m+k)生成的示范性的第一曲线51​​1和第二曲线512。图6图示根据本申请的使用图4的系统11检测GNSS欺骗攻击的方法600的实施例。
系统11包括全球导航卫星系统（GNSS）接收器110、卫星运动和接收器时钟校正模块210、惯性传感器120、计算预测的范围和增量范围模块220、第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212、曲线拟合检测逻辑240和处理器215。从交通工具50上的导航系统输入估计的交通工具状态（即位置、速度和姿势）。系统11中的GNSS接收器110具有与如上参照图1所述的系统10中的GNSS接收器110相同的结构和功能。系统11中的惯性传感器120具有与如上参照图1所述的系统10中的惯性传感器120相同的结构和功能。
第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212和曲线拟合检测逻辑240包括算法和存储器高速缓存。在本实施例的一个实现方式中，第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212和曲线拟合检测逻辑240还包括内部处理器来执行算法。在本实施例的另一个实现方式中，在第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212和曲线拟合检测逻辑240中的算法由至少一个外部处理器215执行。在本实施例的又一个实现方式中，在第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212和曲线拟合检测逻辑240中的算法由内部处理器和至少一个外部处理器215的组合执行。
卫星运动和接收器时钟校正模块210为多个连续的历元输出校正的载波相位范围到第一曲线拟合模块211。下面的过程被应用到GNSS接收器110视野内的每个卫星。当校正的载波相位范围在多个连续的历元（例如n个历元e1-en，其中n是正整数，如图5A中所示）期间被输入到第一曲线拟合模块211时，第一曲线拟合模块211存储校正的载波相位范围。选择的待拟合到曲线的历元的数量（例如n个历元）由系统11的设计者或用户选择。一旦输入用于选择数量的历元的校正的载波相位范围，第一曲线选择拟合模块211将用于各自的多个连续的历元的多个校正的载波相位范围（在图5A中被示为实垂直线）拟合到选择的适当次序的第一曲线501。图5A为n个历元e1-en中的多个示出示范性的第一曲线501（被示为中断的实曲线），其中n是正整数。
计算预测的范围和增量范围模块220为相同的多个连续的历元（例如n个历元e1-en）输出预测的范围到第二曲线拟合模块212，为相同的多个连续的历元将校正的载波相位范围发送到第一曲线拟合模块211。预测的范围是在接收器和卫星之间的基于从惯性传感器120观察的惯性测量获得的范围（距离）。从惯性传感器120输入的速率比历元的速率输入典型地快。在本实施例的一个实现方式中，计算预测的范围和增量范围模块220仅仅在与获得用于该历元的数据同时获得的数据上操作，从而确定系统10是否正被欺骗。在本实施例的另一个实现方式中，计算预测的范围和增量范围模块220在最后一个历元和当前历元e i 之间获得的所有数据上操作，其中i是正整数，以指示第i历元是当前历元，从而确定系统10是否正被欺骗。在本实施例的又一个实现方式中，计算预测的范围和增量范围模块220在最后一个历元和当前历元e i 之间获得的数据的选择的部分上操作，从而确定系统10是否正被欺骗。
当校正的预测的范围在多个连续的历元期间被输入到第二曲线拟合模块212时，第二曲线拟合模块212存储预测的范围。一旦输入用于选择数量的历元的预测的范围，第二曲线拟合模块212为各自的多个连续的历元将多个预测的范围（如图5A中被示为虚垂直线）拟合到选择的适当次序的第二曲线502。为了查看的清楚，图5A和5B中未示出表示在历元之间的从惯性传感器120输入的数据的虚曲线垂直线。图5A为n个历元e1-en中的多个示出示范性的第二曲线502（被示为中断的虚曲线）。用于预测的范围的虚垂直线被示出离用于校正的载波相位范围的实垂直线的偏移，以便为每个历元图示范围的差。将理解的是：历元同时发生。
在本实施例的一个实现方式中，第一曲线拟合模块211和第二曲线拟合模块212分别生成包括重叠的历元的第一曲线和第二曲线。例如，在为历元e1-en生成第一曲线501和第二曲线502之后，为历元e3-e(n+2)生成另一个第一曲线501和另一个第二曲线502。以这种方式，在历元en之前识别在历元e1之后开始的缓慢欺骗攻击。
在本实施例的另一个实现方式中，第一曲线拟合模块211生成第一曲线而没有重叠任何历元。例如，如图5B中所示，在为历元e1-en生成第一曲线501和第二曲线502之后，生成另一个第一曲线51​​1和另一个第二曲线512。通过为各自的多个连续的历元em-e(m+k)拟合多个校正的载波相位范围（在图5B中被示为实垂直线），生成第一曲线51​​1，其中m=n+1并且k=（n-1）。通过为各自的多个连续的历元em-e(m+k)拟合多个预测的范围（在图5B中被示为虚垂直线），生成第二曲线512。
基于将校正的载波相位范围拟合到第一曲线501，第一曲线拟合模块211将与第一曲线501相关联的一组第一曲线参数确定成选择的适当次序。基于将预测的范围拟合到第二曲线502，第二曲线拟合模块212将一组第二曲线参数确定成相同的选择的适当次序。
在本实施例的一个实现方式中，第一曲线拟合模块211使用算法来为给定的多个连续的历元确定适当次序。在这种情况下，第一曲线拟合模块211向第二曲线拟合模块212发送信息，该信息为给定的多个连续的历元指示适当次序。在本实施例的另一个实现方式中，系统设计者选择所选择的适当次序，选择的适当次序被嵌入在第一曲线拟合模块211和第二曲线拟合模块212中。
第一曲线拟合模块211向曲线拟合检测逻辑240输出信息，该信息指示与第一曲线501相关联的第一曲线参数。第二曲线拟合模块212向曲线拟合检测逻辑240输出信息，该信息指示与第二曲线502相关联的第二曲线参数。如本文所使用，第一曲线参数包括但不限于描述第一曲线的参数和/或系数。第一曲线参数基于第一曲线的选择的适当次序的次序。如本文所使用，第二曲线参数包括但不限于描述第二曲线的参数和/或系数。第二曲线参数基于第二曲线的选择的适当次序的次序。在相同类型的参数之间进行本文所述的第一曲线参数和第二曲线参数之间的比较。具体地，比较相同类型的第一曲线参数和相同类型的第二曲线参数，以确定缓慢欺骗是否已经发生。系统12还能够确定是否存在导致GNSS接收器110中跳变的强烈的突然欺骗攻击。
以下表1中为第一卫星示出第一和第二曲线参数的示范性的列表。GNSS接收器110视野中的每个卫星具有类似的表。在示范性的表1中的参数包括但不限于描述相关联的曲线的参数和/或系数。字母a、b、c、d、f和g表示本领域技术人员可以理解的数字或等式。
曲线拟合检测逻辑240输入信息，该信息指示与第一曲线501相关联的第一曲线参数（例如对于表1，指示第一曲线参数的信息包括a、c、d和f）。曲线拟合检测逻辑240输入信息，该信息指示与第二曲线502相关联的第二曲线参数（例如对于表1，指示第二曲线参数的信息包括b、c、c和g）。曲线拟合检测逻辑240比较和第一曲线（例如第一曲线501或502）相关联的第一曲线参数与和第二曲线（例如第一曲线51​​1或512）相关联的第二曲线参数（参见图6中方法600的块602）。对于表1中所示的数据，曲线拟合检测逻辑240确定：第二和第三参数相等；第二曲线的第一参数与第一曲线的第一参数相差（b-a）；以及第二曲线的第四参数与第一曲线的第四参数相差（g-f）。
在方法600的块604处，曲线拟合检测逻辑240确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差是否超过选择的曲线拟合阈值。在表1中所​​示的数据的示范性的情况下，曲线拟合检测逻辑240确定（b-a）、（d-c）、（f-e）和/或（h-g）是否超过选择的曲线拟合阈值。在本实施例的一个实现方式中，选择的曲线拟合阈值由系统11的设计者设定。如果在块604处确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，GNSS接收器110在历元e1-en期间被欺骗（或者快速欺骗或者缓慢欺骗）。如果在块604处确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差不超过选择的曲线拟合阈值，对于卫星N，GNSS接收器110在历元e1-en期间不被欺骗。
如果对于GNSS接收器110视野中的一个或多个卫星，第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，方法600的流程从块604进行到块606。在块606处，采取补救措施。补救措施包括：从由交通工具50中的导航系统计算交通工具状态中移除与欺骗的卫星相关联的、在历元e1-en期间输入到GNSS接收器110的欺骗的数据。方法600的流程从块606进行到块608。
如果对于GNSS接收器110视野中的任何卫星，第一曲线参数和第二曲线参数之间的差不超过选择的曲线拟合阈值，方法600的流程从块604进行到块608。
在块608处，确定新的一组第一曲线参数和第二曲线参数是否已经被输入到曲线拟合检测逻辑240。如果新的一组第一曲线参数和第二曲线参数未被输入到曲线拟合检测逻辑240，流程继续循环回到块608，直到新的一组第一曲线参数和第二曲线参数已经被输入到曲线拟合检测逻辑240。如果在块608处确定新的一组第一曲线参数和第二曲线参数已经被输入到曲线拟合检测逻辑240，方法600的流程从块608进行到块602。以这种方式，为多个连续的历元检查到GNSS接收器110的输入的欺骗攻击。由于基于曲线拟合监视用于多个历元的校正的载波相位范围和预测的范围，系统10准确地检测缓慢欺骗攻击。
图7图示根据本申请的检测GNSS欺骗的系统12的实施例。图8图示根据本申请的使用图7的系统检测GNSS欺骗的方法800的实施例。系统12被配置具有图1的系统10和图4系统11的组合的组件。系统12包括全球导航卫星系统（GNSS）接收器110、卫星运动和接收器时钟校正模块210、惯性传感器120、计算预测的范围和增量范围模块220、增量范围差检测逻辑230、减法器225、第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212、曲线拟合检测逻辑240和处理器215。全球导航卫星系统（GNSS）接收器110、卫星运动和接收器时钟校正模块210、惯性传感器120、计算预测的范围和增量范围模块220、增量范围差检测逻辑230、减法器225、第一曲线拟合模块211、第二曲线拟合模块212、曲线拟合检测逻辑240和处理器215具有与以上参照各自的图1和4中的系统10和11所述的结构和功能类似的结构和功能。
参照图7的系统12描述方法800的流程。在块802处，减法器225向增量范围差检测逻辑230提供用于当前历元e i 的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差。
在块804处，增量范围差检测逻辑230确定差是否超过选择的范围阈值，以便确定GNSS接收器110在当前历元e i 期间被欺骗。如果在当前历元e i 期间对于GNSS接收器110视野中的卫星的差中的任何一个超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑230确定GNSS接收器110在当前历元期间被欺骗，并且方法800的流程从块804移动到块806。
在块806处，采取如上参照图3的方法300中的块306所述的补救措施。方法800的流程从块806进行到块808。在块808处，如果确定当前历元e i 是否不是最后一个历元。如果当前历元e i 不是最后一个历元，流程继续循环回到块808，直到当前历元e i 已经变成最后一个历元（即对于新的当前历元e j ，新的一组数据已经被从GNSS接收器110输入到卫星运动和接收器时钟校正模块210，其中j=i+1），并且方法800的流程进行回到块802。以这种方式，当已经为当前历元确定欺骗攻击时，为跟随欺骗攻击的下一个历元检查到GNSS接收器110的输入。
如果在块804处确定GNSS接收器110在当前历元e i 期间未被欺骗，方法800的流程从块804移动到块810。在块810处，对于GNSS接收器110视野中的卫星351-353中的每一个，曲线拟合检测逻辑240比较与第一曲线501相关联的第一曲线参数和与第二曲线502相关联的第二曲线参数。
在方法800的块812处，对于在GNSS接收器110视野中的卫星351-353中的任何一个，曲线拟合检测逻辑240确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差是否超过选择的曲线拟合阈值。如果在块812处确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，GNSS接收器110在历元e1-en期间被欺骗（缓慢欺骗攻击）。由于误差正由攻击者逐渐引入，在块804处、在逐个历元估计上未注意到该缓慢欺骗。如果在块812处确定第一曲线参数和第二曲线参数之间的差不超过选择的曲线拟合阈值，GNSS接收器110在历元e1-en期间不被缓慢欺骗。
当对于GNSS接收器110视野中的一个或多个卫星，第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值时，方法600的流程从块812进行到块806。在块806处，采取补救措施。补救措施包括：从由交通工具50中的导航系统计算交通工具状态中移除与欺骗的卫星相关联的、在历元e1-en期间输入到GNSS接收器110的欺骗的数据。方法800的流程然后从块806进行到块808，直到流程进行到802。
当对于GNSS接收器110视野中的卫星中的任何一个，第一曲线参数和第二曲线参数之间的差不超过选择的曲线拟合阈值时，方法800的流程从块812进行到块814。
在块814处确定新的一组第一曲线参数和第二曲线参数是否已经被输入到曲线拟合检测逻辑240。如果新的一组第一曲线参数和第二曲线参数尚未被输入到曲线拟合检测逻辑240，流程继续循环回到块808，直到流程进行到802。如果在块814处确定新的一组第一曲线参数和第二曲线参数已经被输入到曲线拟合检测逻辑240，方法814的流程进行回到块810。
以这种方式，对于多个卫星351-353中的每一个，系统12周期性地确定校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差是否指示在最后一个历元中在GNSS接收器110处的输入被欺骗，并且同时确定在与第一曲线相关联的第一曲线参数和与第二曲线相关联的第二曲线参数之间的差是否超过选择的阈值，以便确定GNSS接收器110在连续的多个历元期间被欺骗。
处理器包括用于执行各种方法、处理任务、计算和控制功能、在系统中用于检测欺骗攻击的软件程序、固件或者其它计算机可读指令或用其起作用。
这些指令典型地存储在用于计算机可读指令或数据结构的存储的任何适当的计算机可读介质上。计算机可读介质可以被实现为可以由通用或专用计算机或处理器访问的任何可用介质或者任何可编程逻辑设备。合适的处理器可读介质可以包括存储或存储器介质，诸如磁或光介质。例如，存储或存储器介质可包括常规硬盘，压缩盘只读存储器（CDROM），诸如随机存取存储器（RAM）（包括但不限于：同步动态随机存取存储器（SDRAM）、双倍数据速率（DDR）RAM、RAMBUS动态RAM（RDRAM）、静态RAM（SRAM）等）之类的易失性或非易失性介质，只读存储器（ROM），电可擦除可编程ROM（EEPROM）和快闪存储器等。合适的处理器可读介质还可包括经由诸如网络和/或无线链路之类的通信介质传送的传输介质，诸如电、电磁或数字信号。
本文所述的全球导航卫星系统（GNSS）包括全球定位系统（GPS）、GLONASS、北斗、EGNOS、伽利略、印度区域导航卫星系统（IRNSS）和准天顶卫星系统（QZSS）以及全球导航卫星的任何其它系统。
示例性实施例
示例1包括检测欺骗攻击的系统，该系统包括：卫星运动和接收器时钟校正模块，通信地耦合以从全球导航卫星系统（GNSS）接收器周期性地输入用于在GNSS接收器视野中的多个卫星的载波相位范围，卫星运动和接收器时钟校正模块通信地耦合，以向减法器的第一输入输出用于当前历元的校正的增量载波相位范围；计算预测的范围和增量范围模块，通信地耦合以向减法器的第二输入输出预测的增量范围，预测的增量范围基于为当前历元观察的惯性测量；减法器，以向增量范围差检测逻辑输出用于当前历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差；以及增量范围差检测逻辑，确定差是否超过选择的范围阈值，其中如果差超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑确定GNSS接收器在当前历元中被欺骗。
示例2包括示例1的系统，进一步包括：第一曲线拟合模块，被配置成：从卫星运动和接收器时钟校正模块输入在各自的多个历元期间连续获得的多个校正的载波相位范围；将连续获得的多个校正的载波相位范围拟合到选择的适当次序的第一曲线；并向曲线拟合检测逻辑输出指示与第一曲线相关联的第一曲线参数的信息；第二曲线拟合模块，被配置成：从计算预测的范围和增量范围模块输入在各自的多个历元期间连续获得的多个预测的范围；将连续获得的多个预测的范围拟合到选择的适当次序的第二曲线；并向曲线拟合检测逻辑输出指示与第二曲线相关联的第二曲线参数的信息，第二曲线参数是与第一曲线参数相同类型的参数；曲线拟合检测逻辑，被配置成：比较第一曲线参数和第二曲线参数，其中，如果第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，曲线拟合检测逻辑确定GNSS接收器在连续的多个历元期间被欺骗。
示例3包括示例2的系统，进一步包括：处理器，被配置成执行在卫星运动和接收器时钟校正模块、计算预测的范围和增量范围模块、第一曲线拟合模块、和第二个第一曲线拟合模块中的算法。
示例4包括示例1-3中任何一个的系统，进一步包括：处理器，被配置成执行在卫星运动和接收器时钟校正模块以及计算预测的范围和增量范围模块中的算法。
示例5包括示例1-4中任何一个的系统，进一步包括：GNSS接收器，通信地耦合以输入来自GNSS接收器视野中的多个卫星的数据。
示例6包括示例1-5中任何一个的系统，进一步包括：惯性传感器，被配置成向计算预测的范围和增量范围模块周期性地输出惯性测量。
示例7包括示例6的系统，其中惯性传感器包括加速度计和陀螺仪中的至少一个。
示例8包括检测欺骗攻击的系统，该系统包括：卫星运动和接收器时钟校正模块，通信地耦合以从全球导航卫星系统（GNSS）接收器周期性地输入用于GNSS接收器视野中的多个卫星的载波相位范围，卫星运动和接收器时钟校正模块通信地耦合以向第一曲线拟合模块输出校正的载波相位范围，第一曲线拟合模块被配置成：从卫星运动和接收器时钟校正模块输入在各自的多个历元期间连续获得的多个校正的载波相位范围；将连续获得的多个校正的载波相位范围拟合到选择的适当次序的第一曲线；并向曲线拟合检测逻辑输出指示与第一曲线相关联的第一曲线参数的信息；计算预测的范围和增量范围模块，通信地耦合以向第二曲线拟合模块输出到多个卫星的预测的范围，预测的范围基于观察的惯性测量；第二曲线拟合模块，被配置成：从计算预测的范围和增量范围模块输入在各自的多个历元期间连续获得的多个预测的范围；将连续获得的多个预测的范围拟合到选择的适当次序的第二曲线；并向曲线拟合检测逻辑输出指示与第二曲线相关联的第二曲线参数的信息，第二曲线参数是与第一曲线参数相同类型的参数；以及曲线拟合检测逻辑，被配置成比较第一曲线参数与第二曲线参数，其中，如果第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，曲线拟合检测逻辑确定GNSS接收器在连续的多个历元期间被欺骗。
示例9包括示例8的系统，该系统进一步包括：具有第一输入、第二输入和输出的减法器，第一输入被配置成向卫星运动和接收器时钟校正模块输入用于当前历元的校正的增量载波相位范围，第二输入被配置成从计算预测的范围和增量范围模块输入用于当前历元的预测的增量范围，而输出被配置成输出用于当前历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差；以及增量范围差检测逻辑，被配置成输入差并确定差是否超过选择的范围阈值，其中，如果差超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑确定GNSS接收器在当前历元中被欺骗。
示例10包括示例9的系统，进一步包括：处理器，被配置成执行在卫星运动和接收器时钟校正模块、计算预测的范围和增量范围模块、第一曲线拟合模块和第二个第一曲线拟合模块中的算法。
示例11包括示例8-10中任何一个的系统，进一步包括：处理器，被配置成执行在第一曲线拟合模块和第二个第一曲线拟合模块中的算法。
示例12包括示例8-11中任何一个的系统，进一步包括：GNSS接收器，通信地耦合以输入来自GNSS接收器视野中的多个卫星的数据。
示例13包括示例8-12中任何一个的系统，进一步包括：惯性传感器，被配置成向计算预测的范围和增量范围模块周期性地输出惯性测量。
示例14包括防止全球导航卫星系统（GNSS）接收器上的欺骗攻击的方法，该方法包括以下的至少一个：对于全球导航卫星系统（GNSS）系统的历元：提供校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差；并且当校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差超过选择的范围阈值时，确定GNSS接收器在该历元期间被欺骗；以及对于GNSS系统的多个连续的历元：比较与第一曲线相关联的第一曲线参数和与第二曲线相关联的第二曲线参数；并且当第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值时，确定GNSS接收器在连续多个历元期间被欺骗。
示例15包括示例14的方法，进一步包括：在卫星运动和接收器时钟校正模块处周期性地输入来自GNSS接收器的载波相位范围；以及在计算预测的范围和增量范围模块处周期性地输入来自惯性传感器的惯性测量。
示例16包括示例15的方法，其中针对历元比较校正的增量载波相位范围和预测的增量范围包括：从卫星运动和接收器时钟校正模块向减法器的第一输入输入校正的增量载波相位范围；以及从计算预测的范围和增量范围模块向减法器的第二输入输入预测的增量范围。
示例17包括示例16的方法，进一步包括：从减法器向增量范围差检测逻辑输出用于历元的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差，其中确定GNSS接收器在该历元期间被欺骗包括：确定差超过选择的范围阈值。
示例18包括示例15-17中任何一个的方法，进一步包括：将用于多个连续的历元的校正的载波相位范围拟合到选择的适当次序的第一曲线；以及将用于多个连续的历元的预测的范围拟合到选择的适当次序的第二曲线。
示例19包括示例18的方法，进一步包括：基于将校正的载波相位范围拟合到第一曲线，确定第一曲线参数；以及基于将预测的范围拟合到第二曲线，确定第二曲线参数。
示例20包括示例15-19中任何一个的方法，进一步包括：在GNSS接收器处输入来自多个卫星的数据。
虽然本文已经图示和描述了具体实施例，但是将由本领域技术人员认识到的是：经计算以实现相同目的的任何布置可代替所示的具体实施例。因此，显然意图是；本发明仅仅由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种检测欺骗攻击的系统（10），该系统（10）包括：
GNSS接收器（110），通信地耦合以输入来自GNSS接收器（110）视野中的多个卫星（351-353）的数据；
惯性传感器（120），被配置成向计算预测的范围和增量范围模块（220）周期性地输出惯性测量；
卫星运动和接收器时钟校正模块（210），通信地耦合以从全球导航卫星系统（GNSS）接收器（110）周期性地输入用于多个卫星（351-353）的载波相位范围，卫星运动和接收器时钟校正模块（210）通信地耦合以向减法器（225）的第一输入（226）输出用于当前历元（e i ）的校正的增量载波相位范围；
计算预测的范围和增量范围模块（220），通信地耦合以向减法器（225）的第二输入（227）输出预测的增量范围，预测的增量范围基于为当前历元（e i ）观察的惯性测量；
减法器（225），以向增量范围差检测逻辑（230）输出用于当前历元（e i ）的在校正的增量载波相位范围和预测的增量范围之间的差；以及
增量范围差检测逻辑（230），以确定差是否超过选择的范围阈值，其中，如果差超过选择的范围阈值，增量范围差检测逻辑（230）确定GNSS接收器（110）在当前历元（e i ）中被欺骗。
2.如权利要求1所述的系统（12），进一步包括：
第一曲线拟合模块（211），被配置成：
从卫星运动和接收器时钟校正模块（210）输入在各自的多个历元（e1-en）期间连续获得的多个校正的载波相位范围；
将连续获得的多个校正的载波相位范围拟合到选择的适当次序的第一曲线（501）；以及
向曲线拟合检测逻辑（240）输出指示与第一曲线（501）相关联的第一曲线参数（a、c、d和f）的信息；
第二曲线拟合模块（212），被配置成：
从计算预测的范围和增量范围模块（220）输入在各自的多个历元期间连续获得的多个预测的范围；
将连续获得的多个预测的范围拟合到选择的适当次序的第二曲线（502）；以及
向曲线拟合检测逻辑（240）输出指示与第二曲线（502）相关联的第二曲线参数（b、c、d和g）的信息，第二曲线参数（b、c、d和g）是与第一曲线参数（a、c、d和f）相同类型的参数；
曲线拟合检测逻辑（240），被配置成：
比较第一曲线参数（a、c、d和f）与第二曲线参数（b、c、d和g），
其中，如果第一曲线参数和第二曲线参数之间的差超过选择的曲线拟合阈值，曲线拟合检测逻辑（240）确定GNSS接收器（110）在连续的多个历元期间被欺骗。
3.一种检测欺骗攻击的系统（11），该系统包括：
全球导航卫星系统（GNSS）接收器（110），通信地耦合以输入来自GNSS接收器（110）视野中的多个卫星（351-353）的数据；
惯性传感器（120），被配置成向计算预测的范围和增量范围模块（220）周期性地输出惯性测量；
卫星运动和接收器时钟校正模块（210），通信地耦合以从GNSS接收器（110）周期性地输入用于多个卫星（351-353）的载波相位范围，卫星运动和接收器时钟校正模块（210）通信地耦合以向第一曲线拟合模块（211）输出校正的载波相位范围，
第一曲线拟合模块（211），被配置成：
从卫星运动和接收器时钟校正模块（210）输入在各自的多个历元（e1-en）期间连续获得的多个校正的载波相位范围；
将连续获得的多个校正的载波相位范围拟合到选择的适当次序的第一曲线（501）；以及
向曲线拟合检测逻辑（240）输出指示与第一曲线（501）相关联的第一曲线参数（a、c、d和f）的信息；
计算预测的范围和增量范围模块（220），通信地耦合以向第二曲线拟合模块（212）输出到多个卫星（351-353）的预测的范围，预测的范围基于观察的惯性测量；
第二曲线拟合模块（212），被配置成：
从计算预测的范围和增量范围模块（220）输入在各自的多个历元期间连续获得的多个预测的范围；
将连续获得的多个预测的范围拟合到选择的适当次序的第二曲线（502）；以及
向曲线拟合检测逻辑（240）输出指示与第二曲线（502）相关联的第二曲线参数（b、c、d和g）的信息，第二曲线参数（b、c、d和g）是与第一曲线参数（a、c、d和f）相同类型的参数；
以及
曲线拟合检测逻辑（240），被配置成比较第一曲线参数（a、c、d和f）与第二曲线参数（b、c、d和g），
其中，如果第一曲线参数（a、c、d和f）和第二曲线参数（b、c、d和g）之间的差超过选择的曲线拟合阈值，曲线拟合检测逻辑（240）确定GNSS接收器（110）在连续的多个历元期间被欺骗。
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