CN111158024A - 一种授时终端反欺骗方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种授时终端反欺骗方法和装置，属于卫星导航技术领域，只需在接收天线和被保护的授时终端之间接入反欺骗授时终端保护装置，就能在存在欺骗信号的情况下及时检测出欺骗信号，并切断导航信号输出，此时授时终端就会进去本地时钟守时模式，不会被欺骗信号拉偏守时时间。此方法的优点是无需更改现有大批量部署应用的授时终端状态，只需新增一台反欺骗防护装置，就能保护授时终端不受欺骗信号影响而进行错误的授时。
Description
技术领域
本发明涉及一种授时终端反欺骗方法和装置，属于卫星导航技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，高精度时间频率基准已经成为通信、电力、银行、证券、税收等领域重要的基础保障条件之一。在卫星导航系统广泛应用之前，要实现广大区域内的高精度时间同步是件非常复杂的工作，需要借助原子钟以及远距离通信系统的辅助。而卫星导航系统的出现，使得全球范围内的高精度时间同步变得更加容易，授时型接收机是实现该项功能的主要手段。当不采用防护措施的情况下，这些应用于国家基础设施的授时型接收机极有可能被欺骗，进而提供错误的时间频率信息，给各行业应用带来不可挽回的损失。比如在未来的智能电网中，为了实现对电网状态的实时高精度监测，必须依赖同步相量测量装置PMU（Phasor Measurement Unit）设备。在智能电网中的广泛分布着PMU，它们之间必须保持精确的时间同步（<1μs）才能提供全网精确的运行态势图。而目前PMU之间的时统手段主要依赖于卫星导航授时。通过对PMU设备时统单元的攻击，将让PMU获得错误的观测结果，并可能导致电网控制部门发出错误的控制指令。
授时型接收机面临的干扰威胁分成三种模式：第一种是先释放压制干扰，迫使接收机进入失锁重捕阶段，此时释放出欺骗信号使得接收机误捕，进而被欺骗信号控制；第二种模式是“入侵-拉偏”式攻击，可以让接收机在未检测到失锁的情况下被控制，获得错误的观测值；第三种模式是欺骗信号比真实信号功率稍强，但在时频域上重叠，进而通过修改电文的方式迫使接收机输出错误时间频率信息。基础设施用户通常采用授时型接收机和本地时钟守时两种方式工作，起到互相备份的效果。通常不要求授时型接收机可以消除欺骗干扰，仅要求在存在欺骗干扰时可以提出告警，然后切换至本地时钟继续提供稳定的时统服务。目前反欺骗技术大多还是针对导航型接收机，对于授时型接收机反欺骗研究很少，也没有实用的反欺骗防护设备来保护各行业的授时终端。
目前已有的反欺骗技术基本都是单一措施，只能用于特定欺骗干扰类型，不能适用于各种欺骗信号。比如专利CN106093978 一种GNSS授时型卫星接收机反欺骗式干扰信号处理方法，只能通过检测授时时间是否存在整秒跳变来检测干扰，实际上目前的欺骗攻击已经很容易做到了步进100ns的逐渐式时间拉骗，拉骗步进跟授时精度差不多，甚至小于授时精度，通过一段时间的逐渐拉骗时间，最后达到拉骗时间us或者ms的目的。对于这种欺骗攻击，上述专利无法检测。专利CN104155663一种应用于卫星导航系统的反欺骗攻击的方法和系统，通过比较捕获所获得的信号码多普勒与载波多普勒的一致性来进行欺骗信号检测与识别，但是对于授时终端静止，转发式欺骗攻击位置也不变的情景，欺骗信号码多普勒与载波多普勒与真实信号时一致的，因此本专利也不能识别出这种转发式欺骗。专利CN105158774A一种卫星导航授时型接收机反欺骗方法，通过对比卫星星历和历书真实性来识别欺骗信号，但是它是通过判断新旧星历和历书计算卫星位置和卫星可见性，看二者是否一致来判断是否存在欺骗信号。如果欺骗攻击使用了真实卫星信号的星历和历书，只是改变了部分卫星钟差大小，本专利方法是识别不出的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种授时终端反欺骗方法和装置，在一套综合反欺骗检测方法的基础上，设计一种反欺骗授时终端保护装置，从而克服现有技术中的不足。
本发明通过以下技术方案实现，在接收天线和被保护的授时终端之间接入反欺骗干扰装置；使得存在欺骗信号的情况下，利用综合反欺骗方法及时检测出欺骗信号，并切断导航信号输出；同时授时终端进入本地时钟守时模式，不会被欺骗信号拉偏守时时间。
所述的综合反欺骗方法包括以下步骤：
步骤1、对于进行“失锁-重捕”型欺骗攻击，可以利用实时监测自动增益控制电压和信号功率大小进行压制干扰和大功率欺骗干扰的识别，一方面可以识别出存在压制干扰并提出告警，另一方面防止接收机在真实信号已被压制情况下继续工作并误捕上欺骗信号，并对信号功率异常的欺骗干扰进行检测；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
步骤2、对于“入侵-拉偏”型欺骗攻击的识别，利用在一定的时频不确定度范围内出现多个相关峰值的特性，通过在时频域进行多峰检测来检测是否存在欺骗干扰；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否，即欺骗信号在真实信号一个码片内时多峰检测无法检测到，则进入下一步；
步骤3、由于授时终端位置不动，时间连续的特点，还可以通过位置/时间一致性检测来识别欺骗攻击。通过检测一段时间内用户位置、时间变化是否连续，变化是否超过用户的正常容限来判断是否存在信号异常；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
步骤4、进行星历历书分析检测，包括星历一致性检测与卫星可见性检测，利用接收机可以长期积累数据的优势，对新接收导航电文的合理性进行认证，特别进行卫星钟差参数一致性检测，防止攻击方通过电文修改进行欺骗干扰；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则判断为无干扰。
具体实施步骤如下：
步骤（1）、将反欺骗干扰装置接入接收天线和被保护的授时终端之间；
步骤（2）、导航信号经过反欺骗防护装置的射频模块时，通过实时监测自动增益，即AGC，控制电压的变化，判断外部环境是否存在压制干扰；
步骤（3）、多峰检测：反欺骗防护装置的捕获模块在信号捕获时对时频域搜索范围内超过捕获门限的相关峰进行筛选，挑选出过门限的最大和次大相关峰后转入跟踪通道，结合载噪比和多普勒频移判定是否存在欺骗信号；
步骤（4）、信号功率监测：反欺骗防护装置的跟踪模块对已跟踪的卫星信号功率异常波动进行监测，判定变化是否合理；
步骤（5）、时间位置一致性分析：通过检测时间拉偏判决值/时间拉偏步进的时间内，用户位置、时间变化是否连续，变化是否超过用户的正常容限来判断是否存在欺骗信号；
步骤（6）、星历一致性检测：反欺骗防护装置的信息处理模块在卫星星历更新时，利用旧星历对新星历的参数进行校验，判定新星历变化是否合理；特别要进行卫星钟差合理性认证，结合星历更新时间和旧的星钟参数对新星钟参数进行检测，如果没到星历更新时间而某些卫星的星钟参数跳变，则认为存在欺骗信号。
步骤（7）、反欺骗综合检测：上述步骤（2）到步骤（6）的各个反欺骗环节检测结果汇总送至反欺骗综合检测模块，进行综合反欺骗检测，如果任何一个环节检出欺骗干扰，就关闭射频开关，不输出导航射频信号给被保护的授时终端；同时授时终端进入本地时钟守时模式。
一种授时终端反欺骗装置，包括接收天线和被保护的授时终端，还包括设置在接收天线于被保护的授时终端之间的反欺骗干扰装置，反欺骗干扰装置由射频模块、捕获模块、跟踪模块、信息处理模块、反欺骗综合检测模块和射频开关组成；
反欺骗干扰装置包括依次连接的射频模块、捕获模块、跟踪模块、信息处理模块，上述各模块将检测信息传输至反欺骗综合检测模块，反欺骗综合检测模块再根据检测结果控制射频开关状态；
其中接收天线分别与射频模块和射频开关连接，被保护的授时终端与射频开关连接。
本发明的有益效果在于，只需在接收天线和被保护的授时终端之间接入反欺骗授时终端保护装置，就能在存在欺骗信号的情况下及时检测出欺骗信号，并切断导航信号输出，此时授时终端就会进去本地时钟守时模式，不会被欺骗信号拉偏守时时间。此方法的优点是无需更改现有大批量部署应用的授时终端状态，只需新增一台反欺骗防护装置，就能保护授时终端不受欺骗信号影响而进行错误的授时。
附图说明
图1为综合反欺骗检测方法的流程图。
图2为反欺骗授时终端保护装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图1至2对本发明的优选实施例作进一步说明，在接收天线3和被保护的授时终端2之间接入反欺骗干扰装置1；使得存在欺骗信号的情况下，利用综合反欺骗方法及时检测出欺骗信号，并切断导航信号输出；同时授时终端进入本地时钟守时模式，不会被欺骗信号拉偏守时时间。
所述的综合反欺骗方法包括以下步骤：
步骤1、对于“失锁-重捕”型的大功率信号压制再欺骗的攻击，实时监测AGC控制电压和信号功率大小进行压制干扰和大功率欺骗干扰的识别。如果AGC控制电压出现超过正常值门限的异常值，估计的信号功率变大超过门限值，则说明收到大功率信号干扰，，授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
步骤2、对于“入侵-拉偏”型攻击的识别，利用在一定的时频不确定度范围内出现多个相关峰值的特性，通过在时频域进行多峰检测来检测是否存在欺骗干扰；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否，即欺骗信号在真实信号一个码片内时多峰检测无法检测到，则进入下一步；
具体地，将捕获得到的相关值与捕获门限进行比较，将大于门限者直接或经过验证后交给后续跟踪环路进行信号跟踪处理。可以依据授时终端典型工作环境将捕获门限设置为固定值，或者根据信号环境变化自适应地设置捕获门限。
假定噪声电平为
，为维持一定的虚警概率
，捕获时的固定判决门限为：
对于自适应门限，则捕获时需要实时测试当前信号噪声功率
，然后再结合虚警概率
来确定捕获门限
，
步骤3、时间位置一致性分析：通过检测一段时间内用户位置、时间变化是否连续，变化是否超过用户的正常容限来判判断是否存在欺骗信号若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
具体地，检测时间T内，定位结果均值是否与授时终端已有位置一致，如果位置超过门限值，则认为受到欺骗干扰攻击。检测信息处理模块输出的1PPS与本地时钟产生的1PPS时间偏差∆t是否超过门限值，检测时间T内的∆t 累计误差是否超过门限值（比如 1us ），如果任意一个超过门限值，则认为受到欺骗干扰攻击。
步骤4、进行星历参数分析检测，利用接收机可以长期积累数据的优势，对新接收导航电文的合理性进行认证，结合星历更新时间和旧的星钟参数对新星钟参数进行检测，如果没到星历更新时间而某些卫星的星钟参数跳变，则认为存在欺骗信号授时终端进入本地时钟守时模式，若否则判断为无干扰。
一种授时终端反欺骗装置，包括接收天线3和被保护的授时终端2，还包括设置在接收天线3于被保护的授时终端2之间的反欺骗干扰装置1，
反欺骗干扰装置1由射频模块11、捕获模块12、跟踪模块13、信息处理模块14、反欺骗综合检测模块15和射频开关16组成；
反欺骗干扰装置1包括依次连接的射频模块11、捕获模块12、跟踪模块13、信息处理模块14，上述各模块将检测信息传输至反欺骗综合检测模块15，反欺骗综合检测模块15再将控制信号传输至射频开关16；
其中接收天线分别3与射频模块11和射频开关16连接，被保护的授时终端2与射频开关11连接。
具体实施步骤如下：
步骤（1）、将反欺骗干扰装置1接入接收天线3和被保护的授时终端2之间；
步骤（2）、导航信号经过反欺骗防护装置1的射频模块11时，通过实时监测自动增益，即AGC，控制电压的变化，判断外部环境是否存在压制干扰；
步骤（3）、多峰检测：反欺骗防护装置1的捕获模块12在信号捕获时对时频域搜索范围内超过捕获门限的相关峰进行筛选，挑选出过门限的最大和次大相关峰后转入跟踪通道，结合载噪比和多普勒频移判定是否存在欺骗信号；
步骤（4）、信号功率监测：反欺骗防护装置1的跟踪模块13对已跟踪的卫星信号功率异常波动进行监测，判定变化是否合理；
步骤（5）、位置/时间一致性检测：反欺骗防护装置1的信息处理模块14对解算出的用户位置、时间，在时间拉偏判决值/时间拉偏步进的时间内，进行的变化是否连续的检测，例如步进100ns，1us时间拉偏，那么至少检测10秒；监测其变化是否超过用户的正常容限，判断是否存在欺骗信号；
步骤（6）、星历一致性检测：反欺骗防护装置1的信息处理模块14在卫星星历更新时，利用旧星历对新星历的参数进行校验，判定新星历变化是否合理；
步骤（7）、反欺骗综合检测：上述步骤（2）到步骤（6）的各个反欺骗环节检测结果汇总送至反欺骗综合检测模块15，进行综合反欺骗检测，如果任何一个环节检出欺骗干扰，就关闭射频开关16，不输出导航射频信号给被保护的授时终端2；同时授时终端进入本地时钟守时模式。
Claims (4)
1.一种授时终端反欺骗方法，其特征是：在接收天线和被保护的授时终端之间接入反欺骗干扰装置；使得存在欺骗信号的情况下，利用综合反欺骗方法及时检测出欺骗信号，并切断导航信号输出；同时授时终端进入本地时钟守时模式，不会被欺骗信号拉偏守时时间。
2.根据权利要求 1 所述的一种授时终端反欺骗方法，其特征是所述的综合反欺骗方法包括以下步骤：
步骤 1、对于进行“失锁-重捕”型欺骗攻击，利用实时监测自动增益控制电压和信号功率大小，进行压制干扰和大功率欺骗干扰的识别，一方面识别出存在压制干扰并提出告警，另一方面防止接收机在真实信号已被压制情况下继续工作并误捕上欺骗信号，并对信号功率异常的欺骗干扰进行检测；若是，则切断导航信号输出，授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
步骤 2、对于“入侵-拉偏”型欺骗攻击的识别，利用在一定的时频不确定度范围内出现多个相关峰值的特性，通过在时频域进行多峰检测来检测是否存在欺骗干扰；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否，即欺骗信号在真实信号一个码片内时多峰检测无法检测到，则进入下一步；
步骤 3、由于授时终端位置不动，时间连续的特点，还可以通过位置/时间痕迹合理性检测来识别欺骗攻击；通过检测一段时间内用户位置、时间变化是否连续，变化是否超过用户的正常容限来判断是否存在信号异常若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则进入下一步；
步骤 4、进行星历历书分析检测，进行星历一致性检测，利用接收机长期积累数据的优势，对新接收导航电文的合理性进行认证，特别进行卫星钟差合理性认证，防止攻击方通过电文修改进行欺骗干扰；若是，则授时终端进入本地时钟守时模式，若否则判断为无干扰。
3.根据权利要求2所述的一种授时终端反欺骗装置，其特征是具体实施步骤如下：
步骤（1） 、将反欺骗干扰装置接入接收天线和被保护的授时终端之间；
步骤（2） 、导航信号经过反欺骗防护装置的射频模块时，通过实时监测自动增益，即AGC，控制电压的变化，判断外部环境是否存在压制干扰；
步骤（3） 、多峰检测：反欺骗防护装置的捕获模块在信号捕获时对时频域搜索范围内超过捕获门限的相关峰进行筛选，挑选出过门限的最大和次大相关峰后转入跟踪通道，结合载噪比和多普勒频移判定是否存在欺骗信号；
步骤（4） 、信号功率监测：反欺骗防护装置的跟踪模块对已跟踪的卫星信号功率异常波动进行监测，判定变化是否合理；
步骤（5） 、位置/时间一致性检测：反欺骗防护装置的信息处理模块对解算出的用户位置、时间，在时间拉偏判决值/时间拉偏步进的时间内，进行变化是否连续的检测，监测其变化是否超过用户的正常容限，判断是否存在欺骗信号；
步骤（6） 、星历一致性检测：进行星历历书分析检测，进行星历一致性检测，利用接收机可以长期积累数据的优势，对新接收导航电文的合理性进行认证，特别进行卫星钟差合理性认证，结合星历更新时间和旧的星钟参数对新星钟参数进行检测，如果没到星历更新时间而星钟参数跳变，则授时终端进入本地时钟守时模式；
步骤（7） 、反欺骗综合检测：上述步骤（2）到步骤（6）的各个反欺骗环节检测结果汇总送至反欺骗综合检测模块，进行综合反欺骗检测，如果任何一个环节检出欺骗干扰，就关闭射频开关，不输出导航射频信号给被保护的授时终端；同时授时终端进入本地时钟守时模式。
4.一种授时终端反欺骗装置， 适用于权利要求 1 至3任一项所述的一种授时终端反欺骗方法，包括接收天线和被保护的授时终端，其特征是：还包括设置在接收天线于被保护的授时终端之间的反欺骗干扰装置，反欺骗干扰装置由射频模块、捕获模块、跟踪模块、信息处理模块、反欺骗综合检测模块和射频开关组成；
反欺骗干扰装置包括依次连接的射频模块、捕获模块、跟踪模块、信息处理模块，上述各模块将检测信息传输至反欺骗综合检测模块，反欺骗综合检测模块再将控制信号传输至射频开关；
其中接收天线分别与射频模块和射频开关连接， 被保护的授时终端与射频开关连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200515 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |