CN107831512B - 一种msb-agps定位的位置隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明了公开一种MSB‑AGPS定位的位置隐私保护方法，采用k匿名的方式将GPS设备探测到的真实的SMS信息片段和其他的k‑1组伪造的相似的SMS信息片段混合在一起组成k组片段，并标记真实的SMS信息片段在这k组片段中的位置，随后将这k组片段一起上传到服务器；服务器根据上传的k组片段数据与自身从卫星接收到的NMS信号计算出相应的位置，k组片段对应的坐标，然后将坐标返回给GPS设备；GPS设备收到服务器发来的k组片段对应的坐标后，分解出真实的SMS信息片段对应的坐标。本发明可以在不影响AGPS的定位功能的基础上对GPS设备的位置进行保护，使第三方位置服务器难以追踪到GPS设备的精确位置。

Description

一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法

技术领域

本发明涉及一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，属于数据安全技术领域。

背景技术

GPS已经成为现在智能设备的主要功能之一，一个标准的GPS设备可以只依赖卫星来实现定位，在这种场景下并不存在任何位置泄露的风险。但是一方面标准的GPS定位系统存在部分缺陷，另一方面使用者对于定位有其他方面的需求，实际应用中产生了AGPS这种技术来进行GPS的辅助定位工作。AGPS中需要引入第三方的位置服务器来进行定位，因此在定位过程中就产生了对GPS设备位置的隐私需求。

GPS系统包含了31颗卫星，以及地表的控制系统以及GPS接收器。在定位过程中只涉及卫星和GPS接收器两部分，卫星每天会在轨道上运行两次。

GPS信号

GPS卫星会持续的向地球发送信号，需要定位的GPS接收器只需要接收信号并且对信号进行解码工作，根据解码出来的必要信息来计算自己的位置。卫星发送的信号包括数据码D码(navigation data)，测距码C/A码(Coarse/Acquisition code)或者P码，以及载波信号组成。

GPS用户使用两种载波信号，L1载波频率为1575.42Mhz，L2载波频率为1227.6Mhz。通常L2载波用来供军方使用，因此我们的所涉及的技术都是基于L1载波的。

C/A码是一种伪随机码，C/A码是一段1023比特的字串，每个传送周期为1ms，也就是说其传送速率为1Mbps。每个卫星都具有独一无二的固定C/A码，所以这个C/A码可以用来辨别卫星。并且C/A码具有很好地互相关性，接收器可以从混合信号中正确的分辨出每个卫星的信号。

导航电文(navigation data)可以认为由两部分信息组成的。一部分包含了卫星的粗略轨道以及状态信息(almanac)；另一部分包含了卫星轨迹的精确信息(ephemeris)。D码实际上由5个子帧构成，每个子帧包含300比特。由于卫星信号的传输速度为50bps，所以每个子帧需要6s的时间来传输，整个D码的传输时间需要30s来完成。每个子帧传送的时候开头都会以TLM来作为报头，然后会附加一个时间戳HOW，因此我们会知道每个子帧的精确时间，由此我们可以计算30s内卫星的精确轨迹。

C/A码和D码调制到L1载波器后进行传输。载波公式为：

S＝A_cC(t)D(t)sin(2πf₁t+φ)

原C/A码和D码中的0会在公式中被C(t)和D(t)函数转换为-1。

GPS定位

GPS设备首先会打开自己的接收器来接受信号，搜索周围可用的频率区和码相位。

在不同的频率和码相位延迟下，GPS设备会综合接收到的包含C/A码的信号并且进行相关性计算。在三维体系中，相关性最高的代表正确的频率区和码相位延迟。在这个过程中GPS可能需要对C/A码通过FFT算法转换到频域。

为了得到期望的多普勒频率和码相位延迟，接收器需要追踪可见卫星的信号并且把接收到的这些信号进行解码。通过解码接收器可以得到时间戳，卫星的精确轨迹以及时钟偏移。接收器可以通过对接收到的时间以及时间戳相减来算出传播时间。而通过卫星的轨迹，接收器可以获得卫星的3D坐标。通过上述描述，我们可以得到下列公式：

…

…

…

在公式中(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,3,…)代表了第i个卫星的坐标，(x_u,y_u,z_u)代表了接收器的坐标，接收器的坐标就是需要求解的未知量。ρ＝ct_i，c代表光速，t代表传输时间，ρ_i代表了接收器到第i颗卫星的伪距。b_u＝ct_b，这里表示由于时钟偏移t_b所造成的距离误差。有时候可见卫星的数量会超过4，通常更多的可见卫星可以使定位精度提高。使用最低要求的四颗卫星可以计算出接收器的三维坐标。通常GPS设备会计算出自身位置的经纬度以及海拔高度。

A-GPS

AGPS在原有GPS设备以及定位卫星这两个设备的基础上新增了位置服务器，位置服务器与GPS接收器通过网络进行数据传输，以此来改善原有的GPS系统的缺陷。在GPS接收器与位置服务器进行数据交换的过程中，GPS设备的位置存在暴露给恶意服务器的风险。

一般的GPS信号需要64-89ms来从卫星传输到地球表面。A-GPS系统会将这段信号的传输时间分为两部分：NMS和SMS。NMS是传输时间的整数部分，可以从导航电文中直接解码得到，SMS部分是亚毫秒级的部分，需要通过对C/A码的相关性特征计算得到。信号的传输速度为300km/ms，因此两个相近的接收器(比如150km以内的)可以有相同的NMS，而一般的信号塔会覆盖大概10km半径的区域。根据上述描述，A-GPS设备可以根据附近的信号塔来追踪可用卫星的信号，对导航电文进行解码以及获得相关性和NMS。而接收器想要获得SMS部分的信息，就必须获得最多2ms的信号量来计算可见卫星C/A码的位移。事实上一般1ms的信号就足够进行上述计算，但是为了保证容错性，A-GPS设备一般获得两个1ms的信号，对这两个进行独立的处理，并且使用相关性更好的一个。

GPS通常根据GPS设备的功能分为两种：MSB和MSA。在MSB模式中GPS设备会接受到上述的2ms信号后自己进行计算来确定位置；MSA模式中GPS设备会将得到的2ms信号上传到位置服务器，位置服务器通过收到的信号进行计算，并将计算得到的位置返回给GPS设备。位置服务器既可以由运营商提供，也可以由手机厂商提供，甚至第三方也可以提供位置服务器，设备可以自行选择连接的位置服务器。由于位置服务器可以在计算的过程中得到设备的精确地址，而位置服务器的可信性并不能得到保证，因此在这过程中需要对GPS设备用户的隐私进行保护。图1中我们简要的描述了AGPS中MSA模式所需要的设备以及他们之间工作的流程。

在AGPS系统中，当GPS设备想要定位时，会像服务器发起服务请求。在接收到GPS设备的服务请求后，服务器会给他们提供GPS设备所在区域的可用卫星的相关信息。GPS在接受到定位服务器发出的可用卫星的信息后可以直接接受可用定位卫星发出的信号，与普通的GPS定位相比省略了搜星这一过程，大大节省了定位的时间与能量消耗。SMS信息片段即包含在定位卫星的信号中，GPS设备会将探测到的SMS信息片段上传到服务器上，这个过程导致GPS设备的位置会暴露给服务器。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，为了保护SMS信息片段的隐私性，本发明提供一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，在GPS接收器端通过生成k-1组数据来对设备的实际位置进行匿名化处理，在保留原有AGPS系统优势的情况下完成对GPS接收器相对位置隐私的保护。

技术方案：一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，采用k匿名的方式将GPS设备探测到的真实的SMS信息片段和其他的k-1组伪造的相似的SMS信息片段混合在一起组成k组片段，并标记真实的SMS信息片段在这k组片段中的位置，随后将这k组片段一起上传到服务器。

服务器根据上传的k组片段数据与自身从卫星接收到的NMS信号计算出相应的位置，k组片段对应的坐标，然后将坐标返回给GPS设备。

GPS设备收到服务器发来的k组片段对应的坐标后，分解出真实的SMS信息片段对应的坐标。

所述伪造的k-1组SMS信息片段与真实的SMS信息片段对应到同一个定位卫星上。

真实的SMS信息片段通过GPS信号中的一段2ms的信号来确定。根据真实的SMS信息片段对应的位置，选定其周围位置生成对应的伪造的k-1组SMS信息片段。

GPS设备需要服务器提供GPS定位卫星的真实的SMS信息片段对应的精确三维坐标 (x_i,y_i,z_i)；对于每个卫星与GPS设备之间，都有以下公式：

其中，

b_u＝ct_b；c代表光速，t_b代表GPS设备的时钟偏差，t_i代表第i个卫星达到地表的传输时间的整数时间部分，

和δ_i分别代表第i个卫星的NMS信息和时钟偏差，这两个值都可以从服务器接受到的卫星的信息中通过解码得到，∈_i代表一些其他可忽略的噪音误差来源，

是SMS信息片段所能推测出的亚毫秒级的传输时间，定位系统最终需要依赖这个值进行位置计算，n是指可用卫星的数量。生成合理的伪造的SMS信息片段

GPS设备首先伪造一个三维坐标系下的位置(x_u,y_u,z_u)，将伪造的坐标(x_u,y_u,z_u)带入公式

中的(x,y,z)，因(x_i,y_i,z_i)是可以获得的已知变量，就可以由伪造的坐标(x_u,y_u,z_u)求出一个对应的

将

按照GPS设备指定的编码格式进行编码即生成一段合理的伪造的SMS信息片段。

t_b在表示GPS设备的时钟偏差的同时可以表示服务器的和GPS设备的时钟偏差。

所述GPS设备根据信号塔的位置伪造的坐标(x_u,y_u,z_u)，是围绕着信号塔的位置(x,y,z)随机的生成位置点(x+Δx,y+Δy,z+Δz)，其中Δx,Δy,Δz满足也舍的范围。

将任意位置转换到笛卡尔坐标系上的方程表示为：

R_e和R_p分别表示地球长轴与短轴，(x,y,z)表示地球上点的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明可以在不影响AGPS的定位功能的基础上对GPS设备的位置进行保护，使第三方位置服务器难以追踪到GPS设备的精确位置。

附图说明

图1是AGPS的定位结构图；

图2是本发明的APGS的定位结构图；

图3是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，为了保护这些SMS信息片段的隐私性，我们采用k匿名的方式将GPS设备探测到的真实的SMS信息片段和其他的k-1组相似的伪造的SMS信息片段混合在一起组成k组片段，并标记真实的SMS信息片段在这k组片段中的位置，随后将这k组片段一起上传到服务器。服务器需要根据上传的k组片段数据与自身从卫星接收到的NMS信号计算出相应的位置(k组信号所代表的坐标)，然后将坐标返回给GPS设备。而在这个过程中只有作为上传的GPS设备可以知道哪一个是真实的位置。这样，在位置服务器返回这几段数据的计算结果后GPS设备仍然可以得到真实的地理位置。因为不同定位卫星发出的SMS信息片段是不同的，伪造的SMS信息片段必须与真实的SMS信息片段对应到同一个定位卫星上，也就是说我们在整个生成过程中必须注意所有SMS信息片段在数据上的某种一致性。

在图2中我们描述了设计的方案结构，其中手持GPS设备(如特定的GPS专业设备或者手机等带有GPS功能的移动设备)和GPS位置服务器都会接受卫星广播信号。我们可以认为信号传输功能由GPS设备自带，我们只需要为GPS设备设定信号分析和信号处理模块。信号分析模块将会从信号中分解出所需要的特定SMS信息片段，而信号处理模块将生成k-1组伪造的SMS信息片段扰乱信号，并且将合成k组片段上传到服务器上。

SMS信号的生成

SMS信号只需要通过GPS信号中的一段2ms的信号来确定。根据选定的周围位置生成对应的SMS信号。

首先，GPS设备需要服务器提供GPS定位卫星的精确的三维坐标(x_i,y_i,z_i)。对于每个卫星与GPS设备之间，都有以下公式：

其中，

b_u＝ct_b

在这里c代表光速，t_b代表GPS设备的时钟偏差，

和δ_i代表第i个卫星的NMS信息和时钟偏差，这两个值都可以从服务器接受到的卫星的信息中通过解码得到，∈_i代表一些其他可忽略的噪音误差来源，

是传输时间的SMS部分，n是指可用卫星的数量。想要生成合理的SMS片段

GPS设备首先伪造一个三维坐标系下的位置(x_u,y_u,z_u)，将我们伪造的坐标(x_u,y_u,z_u)带入公式

中的(x,y,z)，在上述公式中(x_i,y_i,z_i)都是可以获得的已知变量，我们就可以由伪造的坐标(x_u,y_u,z_u)求出一个对应的

我们只要将

按照GPS指定的编码格式进行编码就可以生成一段合理的SMS信号。

与标准的GPS相比，这个过程并不需要除了服务器收到的NMS和GPS设备收到的SMS之外的额外信息。但是服务器和GPS设备的时钟同步可能会产生额外的误差。实际上，因为GPS系统会将GPS设备的时钟偏差为未知量来处理，所以t_b可以在表示GPS设备的时钟偏差的同时可以同样表示服务器的和GPS设备的时钟偏差，这种近似不会对我们想要的结果

产生影响。

我们伪造SMS片段的第一步是伪造一个三角坐标系下的位置(x_u,y_u,z_u)，这个位置必须保证一定的合理性，否则生成的SMS片段会被服务器轻易的识别剔除。GPS设备很容易知道信号塔的位置，它就可以围绕着信号塔的位置(x,y,z)随机的生成位置点(x+Δx,y+Δy,z+Δz)，我们只要保证Δx,Δy,Δz在一个合理的范围(比如说小于100米的距离)就可以了。为了保证位置的合理性对于高度有一定的要求使得生成的位置在地表上。这里可以通过两个方法来保证生成位置的真实性，一种是使用(E,N,U)坐标来表示我们伪造位置到信号塔的相对位置，随后转换为笛卡尔坐标系；另一种是直接生成(x,y,z)笛卡尔坐标，在构造的时候将生成的坐标的值限制在地球的球体坐标的合理区间内。我们上文采用的是直接生成笛卡尔坐标的方式。

地球的三维笛卡尔坐标系的方程表示为：

R_e和R_p分别表示长轴与短轴，(x,y,z)表示地球上点的位置。

基于以下几点，我们可以相信服务器难以确定GPS设备的真实位置。第一是因为我们的伪造位置是根据信号塔的覆盖范围来制造的，这与GPS设备的真实位置很相近；第二是因为我们伪造的位置已经经过了设计来保证符合地球的表面特征，服务器难以对伪造的位置坐有效性判定；第三是因为我们生成的SMS段都是根据前面的位置生成的，因此这些SMS段(多段SMS信息形成轨迹)都具有自我的一致性。

上传GPS设备的信号

在上文中我们已经解释了整个实现方案的原理，即计算GPS设备与卫星伪距依赖的传输时间可以分为NMS和SMS两部分，在APGS方案中NMS部分由位置服务器进行解码，SMS部分由GPS设备进行解码。我们的设计可以直接利用APGS的解码模块对SMS部分进行解码工作，此过程记为f，我们可以认为对SMS部分的解码工作可以得出我们需要的坐标信息(x,y,z)以上传到服务器来计算得到实际坐标，此过程可以表示为

我们可以逆向上个过程来通过伪造的坐标(x′,y′,z′)来得到伪造的SMS信息，此过程表示为

GPS设备需要将GPS设备获得的SMS信息与我们伪造的k-1个SMS’信息一起发送给位置服务器。服务器会对收到的信号进行区分，我们使用数组的方式传输这部分数据，所以GPS自己清楚在数组里哪个SMS信息是真实的，同时服务器很容易对他们进行区分，分别计算每个信号代表的位置。服务器计算后可以将所有的位置返回给GPS设备，由GPS设备选择真实的SMS信息所对应的真实位置。

Claims (5)

1.一种MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，其特征在于：采用k匿名的方式将GPS设备探测到的真实的SMS信息片段和其他的k-1组伪造的相似的SMS信息片段混合在一起组成k组片段，并标记真实的SMS信息片段在这k组片段中的位置，随后将这k组片段一起上传到服务器；

服务器根据上传的k组片段数据与自身从卫星接收到的NMS信号计算出相应的位置，k组片段对应的坐标，然后将坐标返回给GPS设备；

GPS设备收到服务器发来的k组片段对应的坐标后，分解出真实的SMS信息片段对应的坐标；

GPS设备需要服务器提供GPS定位卫星的真实的SMS信息片段对应的精确三维坐标(x_i，y_i，z_i)；对于每个卫星与GPS设备之间，都有以下公式：

其中，

b_u＝ct_b；c代表光速，t_b代表GPS设备的时钟偏差，t_i代表第i个卫星达到地表的传输时间的整数时间部分，

和δ_i分别代表第i个卫星的NMS信息和时钟偏差，这两个值都可以从服务器接受到的卫星的信息中通过解码得到，∈_i代表一些其他可忽略的噪音误差来源，

是传输时间的SMS部分，n是指可用卫星的数量；生成合理的伪造的SMS信息片段

GPS设备首先伪造一个三维坐标系下的位置(x_u，y_u，z_u)，将伪造的坐标(x_u，y_u，z_u)带入公式

中的(x，y，z)，因(x_i，y_i，z_i)是可以获得的已知变量，就可以由伪造的坐标(x_u，y_u，z_u)求出一个对应的

将

按照GPS设备指定的编码格式进行编码即生成一段合理的伪造的SMS信息片段。

2.如权利要求1所述的MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，其特征在于：所述伪造的k-1组SMS信息片段与真实的SMS信息片段对应到同一个定位卫星上。

3.如权利要求1所述的MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，其特征在于：真实的SMS信息片段通过GPS信号中的一段2ms的信号来确定，根据真实的SMS信息片段对应的位置，选定其周围位置生成对应的伪造的k-1组SMS信息片段。

4.如权利要求1所述的MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，其特征在于：t_b在表示GPS设备的时钟偏差的同时可以表示服务器的和GPS设备的时钟偏差。

5.如权利要求1所述的MSB-AGPS定位的位置隐私保护方法，其特征在于：所述GPS设备根据信号塔的位置伪造的坐标(x_u，y_u，z_u)，是围绕着信号塔的位置(x，y，z)随机的生成位置点(x+Δx，y+Δy，z+Δz)，其中Δx，Δy，Δz满足合理的范围。

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