CN111190196B - 检测信号的欺骗 - Google Patents

Abstract

一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法。接收器可以位于飞行器上以接收视在卫星信号。该方法可以包括确定包括功率水平的信号的至少两个特性签名，并指示视在卫星信号是欺骗卫星信号。

Description

检测信号的欺骗

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月14日提交的GB专利申请No.18/185,702的优先权和权益，其全部内容合并于此。

技术领域

本公开涉及一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法，并且更具体地涉及确定包括功率水平的信号的签名(signature)。

背景技术

通常，基于卫星的通信和导航系统为航海，航空，机车和汽船提供位置和时间信息。卫星通信和导航系统可以出现在地球上或附近的任何地方，在该地方船只与一颗或多颗卫星之间的视线不受阻碍。卫星通信和导航系统在陆地，海上和空中具有多种应用。

飞行器依靠卫星通信以用于导航和信息(例如，天气)系统。当向飞行器发送信号以故意向飞行器的导航和信息系统提供错误信息时发生欺骗。例如，欺骗卫星导航信号可能会试图使飞行器飞离航线。认证卫星信号的能力可以防止欺骗。认证卫星信号的某些技术可能依赖于信号的独特特性，因此不能应用于所有卫星信号。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法，该方法包括：通过接收器接收视在卫星信号；确定信号的至少两个特性签名包括功率水平；将至少两个特性签名与当前传输数据值进行比较以限定差值；当差值在预定容差值之外时，指示视在卫星信号是欺骗卫星信号。

在另一方面，一种用于检测从在轨卫星到飞行器上接收器的信号的欺骗的方法，该方法包括：通过接收器接收视在卫星信号；确定信号的至少两个特性签名包括功率水平；将至少两个特性签名与当前传输数据值进行比较以限定差值；当差值在预定容差值之外时，指示视在卫星信号是欺骗卫星信号。

附图说明

在附图中：

图1是能够接收来自卫星或其他源的无线电信号的飞行中的飞行器的图。

图2是详细示出用于检测信号的欺骗的方法的框图。

图3是用于检测信号的欺骗的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法。本文所述的方法涉及利用在轨卫星的现有硬件，基于从现有硬件收集的信息，来确定在接收器处接收到的信号是真实卫星信号还是欺骗信号。尽管该描述主要针对在飞行器上的使用，但是它也适用于将利用欺骗检测方法作为卫星导航辅助的任何运载工具或环境。

图1示出了绕地球12的在轨卫星10。卫星10发射卫星信号14。卫星10可以是任何类型的卫星，包括但不限于对地静止卫星，伽利略卫星，COMPASS MEO卫星，GPS卫星，GLONASS卫星，NAVIC卫星，QZSS卫星或北斗2卫星。示出了飞行中的飞行器16。飞行器16可以包括接收器，作为非限制性示例，该接收器是无线电天线18，用于从卫星10接收卫星信号14。位于地球12上的欺骗信号源20可以发出欺骗卫星信号22。尽管被示为位于地球12上，但是可以设想，欺骗信号源20可以位于其他地方，包括但不限于在轨的另一卫星。

至少两个特性签名24(包括功率水平26和次要特性28、30)与卫星信号14相关联。如本文所使用的，术语“特性签名”仅仅是用于覆盖与接收到的信号相关联的任何特性的术语。请勿将其与已知的术语“数字签名”混淆，该“数字签名”可以引用密码或数学方法来验证在发送人与签名人之间传输期间文档未被篡改。然而，可以设想，除了功率水平26之外，数字签名可以是卫星信号14的次要特性28、30。

数据库32可以被用于存储与卫星信号14相关联的当前传输数据值24a，其可以包括但不限于当前传输功率水平26a。数据库32可以存储在服务器上，作为连接到天线18的网络的一部分。取决于特定的实施方式或带宽限制，数据库32可以连续更新。可以实时捕获当前传输功率水平26a，这需要恒定的数据流。在一些实施方式中，作为飞行器上的非限制性示例，由于位置或设备的缺乏，天线18可能不能够接收恒定的数据传输。如果当前传输功率水平26a不随时间波动很大，则可以设想每小时，每天，每周甚至每月更新数据库32。

应该理解，考虑到任何容差，在天线18处接收到的特性签名24和存储在数据库32中的当前传输数据值24a应该近似相等。因此，可以相对于传输期间的大气衰减来补偿当前传输数据值24a。补偿可以是次要特性的函数，作为非限制性示例，该次要特性是对应的卫星位置28，并且还可以是卫星10与天线18之间的当前距离29的函数。特性签名24与在天线18处接收的实际卫星信号14相关联，而当前传输数据值24a可以是基于卫星10的实时位置或卫星10的其他已知质量连续地计算，更新并上传到数据库32的已知传输值。

当前传输数据值24a可以通过使数据库32直接从卫星10获得当前传输数据值24a来取得。在无法直接从卫星10获得数据的情况下，其他不可移动的位置33可以通过补偿天气条件33和距离31来测量当前传输功率水平26a。然后，飞行器16上的接收器18可以补偿天气33和距离31，以将接收到的信号35与预期特性签名24进行比较。换句话说，当前传输数据值24a可以在其他位置33处接收或基于已知的卫星数据来计算，上载到数据库32并且中继到机载数据库32a。多个欺骗特性签名34可以与欺骗卫星信号22相关联。与欺骗卫星信号22相关的欺骗特性签名34可以包括但不限于欺骗功率水平36，欺骗位置38和欺骗时间40。

图2示出了用于检测来自在轨卫星10的卫星信号14的欺骗的方法100的框图。在102处，在天线18处接收到视在卫星信号42。视在卫星信号42可以是卫星信号14或欺骗卫星信号22。进一步设想到两个信号14、22被同时接收。

视在卫星信号42可以承载具有多个特性中的两个的至少两个特性签名24，34，特性签名包括但不限于功率水平26、36，与卫星信号14相关联的功率水平26或与欺骗卫星信号22相关联的功率水平36。进一步设想到，与视在卫星信号42相关联的其他数据特性也可以是特性签名24、34的一部分。次要特性可以包括但不限于卫星位置28和卫星时间30。欺骗位置38和欺骗时间40也是可以作为特性签名34的一部分的特性。在接收到视在卫星信号42时，在104处，利用作为非限制性示例的计算机45，确定视在卫星信号42的功率水平26、36和任何附加的次要特性28、30、38、40。计算机45可以与接收天线18集成在一起，或者可以将计算结果转移到飞行器上的航空电子设备舱内或任何其他合适位置的单独计算机上。该计算机不需要固定的位置或与其他系统集成。

数据库32可以是用于存储当前传输数据值24a的机载数据库32a。当前传输数据值24a包括当前传输功率水平26a。当前传输功率水平26a可以是在出发之前(作为非限制性示例，飞行器在登机口起飞之前)下载的已知值，并且基于预定飞行路径在飞行中进一步计算。当前传输功率水平26a也可以通过加密的安全路径从如前所述的另一个接收源上载。因此，当前传输值24a可以是当前传输功率水平26的函数。

当前传输数据值24a可进一步包括实时卫星位置28a。利用小扰动理论，可以计算更新的卫星位置以估计在轨卫星10的预测实时位置并存储为实时卫星位置28a。可以设想的是，可以利用计算机45来执行小扰动理论。该方法可以进一步包括在当前传输数据值24a基于预测的或实际的实时卫星位置28a时，计算第二差值48。设想的另一数学计算包括航位推测(dead reckoning)，其中假设卫星以恒定的速度在恒定的轨道上移动来计算预测。然后，这将需要经常更新实际位置。应当理解，可以以多种方式确定实时卫星位置28a，并且不限于本文所述的那些。

当前传输数据值24a还可包括全球导航卫星系统(GNSS)时间信号30a。进一步设想的是，确定至少两个特性签名24、34包括直接或间接地经由机载数据库32a从数据库32接收GNSS时间信号作为GNSS时间信号30a。可以在出发前(又作为非限制性示例，飞行器在登机口起飞之前)设置机载时钟50。机载时钟50可以设置为已知的实时时间。作为非限制性示例，机载时钟50可以是原子钟，并且可以用于确定GNSS时间信号30a。作为非限制性示例，该方法还可包括在当前传输数据值24a基于来自机载时钟50的时间时，计算第三差值52。

计算机45可被用于在106处，将至少两个特性签名24、34中的至少一个与当前传输数据值24a进行比较以限定差值44。差值44可以是数字，二进制或文本。可以将差值44与预定容差值46进行比较。该方法可以进一步包括直接或间接地经由机载数据库32a，通过基于来自数据库32的当前传输功率水平26a检索当前传输数据值24a来计算差值44。当差值44在预定容差值46内的情况下，不需要将指示发送到用户接口50。然而，在预定容差值46内的接收到的信号可以被标记为安全信号或真实信号，这也不是没有可能。

在108处，当差值44超出预定容差值46时，发生了指示视在卫星信号42是欺骗卫星信号22。可以产生视在卫星信号42是欺骗卫星信号22的指示信号54，并将其传送到适当的用户接口56。作为非限制性示例，可以由计算机45生成指示信号54。作为非限制性示例，读取用户接口56的用户可以包括飞行器的驾驶员或副驾驶员或空中交通管制员或两者。任何适当的用户或用户接口都可以接收指示信号54。

在示例性检测中，卫星信号14可以具有100W(20dBW)的输出功率水平23，基于自由空间路径损耗计算的轨道高程和飞行器高程，该输出功率水平23可以转换为0.0001pW(-160dBW)的接收特性签名24功率水平26。在示例性检测中，当前传输功率水平26a也可以是0.0001pW(-160dBW)，这可以导致差值44为零。预定容差值46可以是+/-.001pW。如果在天线18处接收到的视在卫星信号42包括具有0.1pW(-130dBW)的接收到的欺骗功率水平36的欺骗特性签名34，则差值44将为～.01pW，其在+/-0.001W的预定容差值46之外。

在图2的流程图中示出了一种检测来自在轨卫星10的卫星信号14的欺骗的方法100。该方法包括在102处，由天线18接收视在卫星信号42。在104处，确定包括功率水平26、36的视在卫星信号42的至少两个特性签名24、34。在106处，将至少两个特性签名24、34与当前传输数据值24a进行比较以限定差值44。在108处，当差值44在预定容差值46之外时，指示视在卫星信号42是欺骗卫星信号22。

还可以设想，本文所述的次要特性28、30可以包括波形生成，该波形生成可以是卫星上使用的硬件的函数。欺骗信号源20将包括与卫星10不同的硬件或软件，以产生欺骗卫星信号22，该欺骗卫星信号22将呈现为波形小偏差(例如，更完美/不太完美的方波)的差值44。

还可以设想，本文所述的次要特性28、30包括确定卫星10和/或接收器18所利用的带宽以及产生多少噪声。差值44将考虑包括在频率上渗漏(bleed)的容差。将噪声与功率水平26结合使用使得能够长时间监测与不同带宽相关联的噪声和随时间发射的功率水平26两者的波动。

应该理解的是，本文所述的至少两个特性包括功率水平和本文所述的次要特性中的任何一个。还可以设想，本文所述的至少两个特性可以包括三个或更多个特性。

与本文所述的检测卫星信号的欺骗的方法相关联的益处使得能够向飞行员警报可能的欺骗。允许飞行员访问有关可能的欺骗的信息，可以提高飞行器以及机上乘客的安全和保护。此外，知情的飞行员可以减少降落过程期间的错过进场。在发生欺骗攻击的情况下，与空中交通管制进行的知情通信可以更快地使飞行员和空中交通管制工作人员彼此通信，并识别和修复由于尝试的欺骗袭击而可能导致的任何导航错误。

此外，本文公开的方法可以利用任何飞行器，卫星或地球上提供的结构上的现有零件来实施和实现。因此，实施该方法的成本低于用加密签名传输代替现有GNSS基础结构，在加密签名传输中每个信号都植入了数字签名。正确的信号加密认证要求在全球范围内更改硬件和软件。修改现有的在轨卫星是困难的。当需要改进欺骗检测时，本文的公开内容使得能够对“向后兼容”的接收器更新。

在尚未描述的范围上，各个实施例的不同特性和结构可以根据需要彼此组合使用。在所有实施例中未示出的一个特征并不意味着解释其不能有，而是为了描述的简洁。因此，不管是否明确地描述了新的实施例，不同实施例的各种特性可以根据需要被混合和匹配以形成新的实施例。本文所描述的特征的所有组合或置换都被本公开覆盖。

该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的各方面的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：

1.一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法，该方法包括：通过接收器接收视在卫星信号；确定信号的至少两个特性签名，至少两个特性签名包括功率水平和次要特性；将至少两个特性签名中的至少一个与至少一个当前传输数据值进行比较，以限定差值；当差值在预定容差值之外时，指示视在卫星信号是欺骗卫星信号。

2.根据任一前述条项所述的方法，进一步包含通过基于来自数据库的卫星的当前传输功率水平检索当前传输数据值来计算差值。

3.根据任一前述条项所述的方法，其中确定次要特性进一步包括接收卫星的实时位置。

4.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括在当前传输数据值是基于实时卫星位置时，计算第二差值。

5.根据任一前述条项所述的方法，其中实时位置是实际实时位置或预测实时位置中的一个。

6.根据任一前述条项所述的方法，其中确定次要特性进一步包括接收GNSS时间信号。

7.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括当当前传输数据值是基于来自机载时钟的时间时，计算第三差值。

8.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括数据库，该数据库包含卫星的当前传输功率和对应的当前实时位置的表。

9.根据任一前述条项所述的方法，其中当前传输数据值是当前传输功率水平的函数。

10.根据任一前述条项所述的方法，其中当前传输数据值针对大气衰减进行补偿。

11.根据任一前述条项所述的方法，其中补偿是对应的当前卫星位置的函数。

12.根据任一前述条项所述的方法，其中补偿是卫星与接收器之间的当前距离的函数。

13.根据任一前述条项所述的方法，进一步包含生成指示信号并将指示信号传递到用户接口。

14.根据任一前述条项所述的方法，其中确定次要特性能够包括确定波形或带宽。

15.一种用于检测从在轨卫星到飞行器上的接收器的信号的欺骗的方法，该方法包括：通过接收器接收视在卫星信号；确定信号的至少两个特性签名，至少两个特性签名包括功率水平；将两个特性签名中的至少一个与当前传输数据值进行比较以限定差值；当差值在预定容差值之外时，指示视在卫星信号是欺骗卫星信号。

16.根据任一前述条项所述的方法，其中确定至少一个参考值进一步包括接收卫星的实时位置。

17.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括在当前传输数据值是基于实时卫星位置时，计算第二差值。

18.根据任一前述条项所述的方法，其中确定至少两个特性签名值进一步包括接收GNSS时间信号。

19.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括在当前传输数据值是基于来自机载时钟的时间时，计算第三差值。

20.根据任一前述条项所述的方法，进一步包括生成指示信号并将指示信号传递到用户接口。

Claims (13)

1.一种用于检测来自在轨卫星的信号的欺骗的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过接收器接收卫星信号；

确定所述卫星信号的至少两个特性签名，所述至少两个特性签名包括功率水平和次要特性；

将所述至少两个特性签名中的至少一个与至少一个当前传输数据值进行比较，以限定差值；和

当所述差值在预定容差值之外时，指示所述卫星信号是欺骗卫星信号；其中限定所述差值包含通过从数据库检索所述当前传输数据值来计算所述差值，将真实卫星的当前传输功率水平与所述当前传输数据值进行比较时，所述当前传输数据值是所述真实卫星的所述当前传输功率水平的函数，其中所述当前传输数据值针对大气衰减进行补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中确定次要特性进一步包括接收卫星的实时位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述实时位置是实际实时位置或预测实时位置中的一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中确定次要特性进一步包括接收GNSS时间信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括数据库，所述数据库包含所述卫星的当前传输功率和对应的当前实时位置的表。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述补偿是对应的当前卫星位置的函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述补偿是所述卫星与所述接收器之间的当前距离的函数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含生成指示信号并将所述指示信号传递到用户接口。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中确定次要特性能够包括确定波形或带宽。

10.一种用于检测从在轨卫星到飞行器上的接收器的信号的欺骗的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过所述接收器接收卫星信号；

确定所述卫星信号的至少两个特性签名，所述至少两个特性签名包括功率水平和次要特性；

将所述两个特性签名中的至少一个与当前传输数据值进行比较以限定差值；和

当所述差值在预定容差值之外时，指示所述卫星信号是欺骗卫星信号，其中限定所述差值包含通过从数据库检索所述当前传输数据值来计算所述差值，将真实卫星的当前传输功率水平与所述当前传输数据值进行比较时，所述当前传输数据值是所述真实卫星的所述当前传输功率水平的函数，其中所述当前传输数据值针对大气衰减进行补偿。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中确定至少两个特性签名值进一步包括接收卫星的实时位置。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中确定至少两个特性签名值进一步包括接收GNSS时间信号。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括生成指示信号并将所述指示信号传递到用户接口。