CN107678047B - 一种基于伪卫星的位置安全防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于伪卫星的位置安全防护方法，包括将伪基站布设于禁区周边，形成连续性防护网；所述伪基站即伪卫星信号发射器；所述禁区指待保护的敏感区域；以及，伪基站连续发射功率比真实卫星信号功率大于3db以上的伪卫星信号。本发明将伪基站布设在禁区周边，实时连续发射有效虚假的伪卫星信号，形成连续性防护网。对卫星接收机而言，当伪卫星信号的功率高于实际卫星信号3dB以上，可产生错误的经纬度信息，欺骗真实的卫星信号。本发明可防止国家测绘地理位置信息被恶意采集，达到保护敏感地区位置安全的目的；也可应用于防止恐怖袭击；同时也可用于对无人车、无人机和机器人进行导航位置管制。

Description

一种基于伪卫星的位置安全防护方法

技术领域

本发明属于GNSS工程导航安全技术领域，尤其涉及一种基于伪卫星的位置安全防护方法。

背景技术

近年来，随着信息技术的快速发展和地理信息的广泛应用，涉密测绘地理信息安全管理面临严峻形势。测绘地理信息是国家重要的基础性、战略性资源，广泛应用于经济建设、国防建设和社会发展，尤其是涉密测绘地理信息，直接关系国家主权、安全和利益，一旦泄露，其危害重大而深远。现在的测绘普遍使用GNSS系统来实现测绘信息的收集，因此如何保证GNSS信息的安全是个现实问题。

传统的差分GNSS组成包括一个位置已知的固定监测站，它实时接收GNSS信号并确定出伪距误差，把此误差作为改正数提供给本地用户，本地用户则用此改正自己测得的伪距，使计算出的位置精度更高。除了获得较好的定位精度外，通过对GNSS信号的监测改正，差分GNSS还能提高导航的可靠性，甚至当GNSS卫星显示不健康信号时仍能工作。由于基准站在卫星测距信号无法校正时，能立刻通知用户，所以改进了系统的完整性。对可用性要求更高的航空用户，为了保证GNSS在一些特定地区为特殊用途时的精确性和可靠性，一般采用上述伪卫星技术。

不管差分GNSS如何提高导航精度、可靠性和完好性，也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷。以目前GNSS卫星的配置方案，一旦有一颗卫星发生故障，或者由于某种原因接收不到GNSS信号，几何配置不当的缺陷将会更加突出。伪卫星技术在该地区建立类似于GNSS卫星的固定基准站，行使GNSS卫星的功能。伪卫星技术从本质上看，仅仅是差分GNSS应用的特殊方案。因此伪卫星电文格式也和其他差分GNSS的电文格式一样。

监测站接收所有可见的GNSS卫星信号和伪卫星信号，并把它们和已知监测站位置及伪卫星天线位置进行比较。民用领域，伪卫星是精确地在GNSS L1频率1575.42MHZ上发射信号的，所以GNSS用户设备可以同时接收GNSS信号和伪卫星信号。

发明内容

本发明的目的是基于GNSS用户设备可以同时接收GNSS信号和伪卫星信号的原理，提供一种基于伪卫星的位置安全防护方法。

本发明提供的一种基于伪卫星的位置安全防护方法，包括：

将伪基站布设于禁区周边，形成连续性防护网；所述伪基站即伪卫星信号发射器；所述禁区指待保护的敏感区域；

以及，伪基站连续发射功率比真实卫星信号功率大于3db以上的伪卫星信号。

进一步的，所述伪基站包括编译单元、扩频调制单元、二进制相移键控调制单元和天线单元；

所述编译单元，用来按照卫星信号数据格式，将采集的实际位置经纬度信息生成伪卫星数据样本，并按照卫星信号帧结构将伪卫星数据样本编译成数据码形式；

所述扩频调制单元用来对数据码和C/A码进行扩频调制；

所述二进制相移键控调制单元用来采用二进制相移键控调制方式将扩频后的数据调制到载波L₁频段；

所述天线单元，用来发射L₁频段的信号发射。

进一步的，所述卫星信号数据格式为：

导航电文每4个bit表示一采样点，以补码形式从低位开始存储；

每当存储4092个字节后，会产生4个字节的校验和；所述校验和以16位数为一个累加单元，将前面4092个字节累加得到的一个32位数，溢出部分直接丢弃。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

本发明将伪基站布设在禁区周边，实时连续发射有效虚假的伪卫星信号，形成连续性防护网。对卫星接收机而言，当伪卫星信号的功率高于实际卫星信号3dB以上，可产生错误的经纬度信息，欺骗真实的卫星信号。

本发明可防止国家测绘地理位置信息被恶意采集，达到保护敏感地区位置安全的目的；也可应用于防止恐怖袭击；同时也可用于对无人车、无人机和机器人进行导航位置管制。

附图说明

图1为GPS卫星信号的产生原理；

图2为载波、码序列、导航电文和扩频信号的关系示意图，即GPS卫星信号的波形图；

图3为GPS信号定位原理示意图；

图4为载波、C/A码及数据码的关系示意图；

图5为伪卫星数据格式示意图；

图6为包括校验和的伪卫星数据格式示意图

图7为本发明所设计的伪基站的原理示意图；

图8为实施例中伪基站的布设示意图；

图9为实施例中卫星接收机接收到的伪卫星信号。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为便于理解本发明技术方案及技术效果，下面将首先描述本发明所涉及的相关基础理论。

一、GPS信号的特性

GPS信号利用两个特高频(Ultra High Frequency，UHF)进行传输。见图1，GPS信号由时钟单元、导航数据发生器、调制单元和载波单元四个部分组成。时钟单元中主时钟信号由一个星载原子钟相干驱动，标准频率f₀为10.23MHz，该时钟乘以120和154后，分别产生L1＝1575.42MHz和L2＝1227.6MHz频段的载波信号，f₀经限幅器后提供1.023MHz时钟给粗捕获码(Coarse Acquisition code，C/A)发生器，提供10.23MHz时钟给加密精确码(Perfectcode，P)发生器；伪随机码与载波信号间的调制方式采用BPSK；导航数据包含卫星轨道的相关信息，比特率为5050b/s。

GPS信号采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)作为通信方式。首先，将导航电文脉冲调制到卫星的C/A码或P(Y)码上；然后，经二进制相移键控(Binary Phase-Shift Keying，BPSK)调制方式将扩频后的数据调制到L₁或L₂波段的载波上；最后，通过卫星天线向地面发射。载波、码序列、导航电文和扩频信号的关系见图2所示。

第k颗GPS卫星广播的导航信号可表示为：

式(1)中：

和分别表示时刻t时第k颗GPS卫星在L₁波段和L₂波段上的导航信号；

P_C表示L₁波段上C/A码的信号功率；

P_Y1表示L₁波段上P(Y)码的信号功率；

P_Y2表示L₂波段上P(Y)码的信号功率；

x^k(t)和y^k(t)分别表示时刻t时第k颗GPS卫星的C/A码序列和P(Y)码序列；

D^k(t)表示时刻t时第k颗GPS卫星的导航数据；

f_L1和f_L2分别表示L₁波段和L₂波段的载波频率；

θ_L1和θ_L2分别表示L₁波段和L₂波段的载波相位偏移。

载噪比(Carrier-to-Noise Density Ratio，C/N₀)是衡量卫星接收机信号质量的一个重要指标，其与射频信号带宽无关，定义为载波功率C与噪声功率谱密度N₀的比值。SNR(Signal to noise radio，信噪比)和C/N₀的关系如下：

C/N₀＝SNR×B_n (2)

式(2)中：

B_n代表噪声带宽，通常指单边谱带宽。

N₀/2是双边噪声功率谱密度，N₀的典型值为205dBW/Hz，那么L₁波段载波上-160dBW的信号相当于45dB的C/N₀。室外GPS接收信号的C/N₀值大致在25dB～50dB间变化，通常将C/N₀大于40dB的卫星信号称为强信号，而C/N₀小于28dB的卫星信号称为弱信号。

二、GNSS定位及位置欺骗原理

下面仍然以GPS信号为例进行说明。

(1)GPS定位原理。

见图3，令卫星接收机位置坐标(x,y,z)，若已知卫星1(即图3中Satellites1)坐标A为(x₁,y₁,z₁)，卫星1广播一个卫星信号，卫星信号通过电磁波传送，速度记为c。测量信号发送至到达的时间差记为τ₁，则有：

式(3)有3个未知变量，再加上另外两个已知位置的卫星：卫星2(即图3中Satellites2)和卫星3(即图3中Satellites3)，将卫星2和卫星3的坐标分别记为(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)，则获得如下卫星定位方程：

式(4)中，τ₂和τ₃分别表示卫星2和卫星3的卫星信号发送至到达的时间差。

根据式(4)则可解算卫星接收机位置(x,y,z)，但在工程应用中这样还不够。为了测量电磁波发送至到达的时间差，需要在电磁波发送时写一时间戳t_i，时间戳t_i根据卫星的时钟时间参考值获得。当信号到达时，提取时间戳t_i，根据t_i和当地时间t₂的差值计算时间差。然而，当当地时间和卫星时间不同步，会出现一个时间偏移量Δt_i，所以时间偏移量Δt_i也要被考虑，于是修正后的卫星定位方程如下：

式(5)中：(x_i,y_i,z_i)表示卫星i的位置坐标；Δt_i表示卫星i对应的时间偏移量；τ_i表示卫星i对应的时间戳；i∈{1,2,3}。

修正后的卫星定位方程有4个未知变量，则需要4个已知位置的卫星来构建4个等式，即，需要伪造至少4颗卫星信号才能进行GPS定位。

(2)数据码

C/A码在信号中起着承上启下的作用，其最主要的用途是对数据码进行扩频，实现码分多址；其次用来做粗测距；最后用来帮助P码的捕捉。但这种码结构固定，无法传输导航信息，所以需要用到数据码来传输导航及定位信息。数据码是导航信号中的最底层，其带有时间位置等相关的导航信息，数据码主峰频宽为100Hz。

为区别同是二进制的数据码与伪码，本发明采用“比特”表示数据码的一个0或1，而采用“码片”表示伪码的一个0或1。比较数据码和粗码，数据码的一个比特长为20ms，C/A码的周期长为1ms，二者时长是20倍的关系。要注意是，数据码的比特的第一位要与伪码的第一位时钟沿重合，即要做到同步二者才能相加。载波、C/A码及数据码的关系见图4。

导航电文的频宽本为100Hz，与伪码异或相加后形成合成码，合成码的频宽频宽为2.046MHz，扩大了20460倍，这就是利用C/A码完成直接序列扩频(DSSS)。

GPS信号的比特率为50bps。GPS卫星在不同的频率和幅度上广播GPS信号，民用最常用的是L₁信号。GPS信号的强度非常弱，大约在-130dBm左右，这就使得GPS信号可以轻易地被功率压制，卫星接收机采集到的伪卫星的功率只要-125dBm左右就可达到欺骗的效果。

(3)伪卫星数据的格式

见图5，文件每4个bit表示一个采样点，以补码形式从低位开始存储。见图6，每当存储4092个字节后，会有4个字节的校验和。校验和是以16位数为一个累加单元，将前面4092个字节累加得到的一个32位数，溢出部分直接丢弃。

由于上传时以字节为单位，而硬盘内数据存储以16位为一格存储单位，所以实际累加应将前后字节换位。例如，上传数据点2、1、4、3(0x2A5E)，但累加单元应为数据点4、3、2、1(0x5E2A)，最终校验和是以32位存储的，所以应将4个字节的校验和倒过来。例如，字节1、2、3、4(0x6e280504)，实际校验和为字节4、3、2、1(0x0405286e)。

伪卫星数据提供每颗卫星的位置信息(x_i(t),y_i(t),z_i(t))，接收者可以以(x_i(t),y_i(t),z_i(t))计算位置数据。这里，(x_i(t),y_i(t),z_i(t))表示时刻t时第i颗GPS卫星的位置信息。

三、本发明技术方案

本发明设计了伪基站，其工作原理见图7：

(1)采集伪卫星安装现场的经纬度信息，即实际位置，根据前述规定的伪卫星数据格式，生成伪卫星数据样本；

(2)将伪卫星数据样本按照GPS信号帧结构编译成数据码形式；

(3)数据码与本地C/A码进行扩频调制；

(4)调制结果采用BPSK调制到载波L₁频段，之后通过L₁频段的天线发射。

本发明将伪基站布设于禁区周边，形成连续性防护网，所述禁区指待保护的敏感区域。图8为本实施例中伪基站的布设示意图，图中，实线代表禁止区域的边界，实线小圆代表所布设的伪基站；虚线大圆代表采用全向天线时的压制范围，其半径是能够压制真实卫星信号的有效距离。从图8可以看出，合理的布设伪基站，可无缝隙地覆盖整个禁区。

由于伪卫星信号与真实卫星信号的信号体制一样。对卫星接收机而言，当伪卫星信号的功率高于实际卫星信号3dB以上，可以压制真实的卫星信号。此时产生错误的经纬度信息，防止真实的位置信息被敌方采集。

因此，本发明基于伪卫星的位置安全防护方法，通过调节伪卫星信号发射机的发射功率，使到达卫星接收机的伪卫星信号的功率比真实卫星信号功率大于3db以上，即可实现欺骗真实卫星信号。图9为卫星接收机接收到的伪卫星信号，从图中可以看出，伪卫星信号成功地欺骗了GPS接收机，实现了定位，多颗伪卫星的信噪比在46dB左右。

上述仅提供了本发明的具体实施方式，但并不用于限制本发明，凡是采用本发明相同的测试及仿真方法，均应列入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于伪卫星的位置安全防护方法，其特征是，包括：

将伪基站布设于禁区周边，形成连续性防护网；所述伪基站即伪卫星信号发射器；所述禁区指待保护的敏感区域；

以及，伪基站连续发射功率比真实卫星信号功率大于3db以上的伪卫星信号；

所述伪基站包括编译单元、扩频调制单元、二进制相移键控调制单元和天线单元；

所述编译单元，用来按照卫星信号数据格式，将采集的实际位置经纬度信息生成伪卫星数据样本，并按照卫星信号帧结构将伪卫星数据样本编译成数据码形式；

所述卫星信号数据格式为：

导航电文每4个bit表示一采样点，以补码形式从低位开始存储；

每当存储4092个字节后，会产生4个字节的校验和；所述校验和以16位数为一个累加单元，将前面4092个字节累加得到的一个32位数，溢出部分直接丢弃；

所述扩频调制单元用来对数据码和C/A码进行扩频调制；

所述二进制相移键控调制单元用来采用二进制相移键控调制方式将扩频后的数据调制到载波L₁频段；

所述天线单元，用来发射L₁频段的信号发射。