CN111344599A

CN111344599A - 带有欺骗检测的地理定位系统

Info

Publication number: CN111344599A
Application number: CN201880072517.8A
Authority: CN
Inventors: 埃德蒙·科利·维格纳瑞利; 乌尔斯·洪克勒; 努诺·法利亚·皮尔斯; 马尔钦·普特莱斯科; 菲利普·帕特纳兹
Original assignee: Geosatis Sa
Current assignee: Geosatis Sa
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-06-26
Also published as: EP3679403A1; US20210072401A1; EP3454089A1; WO2019048580A1

Abstract

GNSS使能设备(2)，配置为处理每秒脉冲数(PPS)信号，尤其是来自GNSS卫星星座的信号，以确定GNSS使能设备的全球位置。该装置包括配置为获取PPS信号的GNSS接收器模块(4)、计算单元(8)和参考定时器(6)，所述参考定时器(6)包括本地参考时钟(16)和定时器电路(18)，以测量所述PPS信号周期。计算单元和参考定时器被配置为测量所述PPS信号的抖动的方差，以确定所接收的PPS信号是真实的还是伪造的。

Description

带有欺骗检测的地理定位系统

本发明一般涉及一种包含带有欺骗检测的地理定位系统的设备。本发明尤其涉及一种包含带有欺骗检测的地理定位系统的便携式独立设备。

GNSS(全球导航卫星系统)主要基于一组地球轨道卫星，这些地球轨道卫星共同提供全球定位服务。有几个这样的系统在运作中，例如美国GPS(全球定位系统)，俄罗斯的GLONASS和欧洲的伽利略。常见的结构需要，每颗配备一个或多个内置时钟卫星广播有时间戳的信号。地面接收器使用这些信号和相对论三边测量技术来确定它的位置。接收器与每颗卫星之间的距离，能够通过测量在被包括在信号CKi中的时间戳与接收器上的参考时钟CK0之间的延迟来确定。实际的实施时不需要CK0，因为只知道i，j≠0时，来自所有接收到的信号的时间戳之间的时间差(CKi-CKj)就足够了。在后一种情况下，接收器通过求解将到达时间的差异与相对位置的差异联系起来的方程组来计算位置。每颗卫星的实时位置(星历)应该是已知的，而且通常是由卫星自己传送的。可以在系统中包含一些额外的修正，以包含地球形状、信号传播条件和卫星时钟调整的缺陷，但这些与本专利中描述的不相关。除了位置和其他GNSS相关数据外，接收器还设置具有极高精度(非常低的抖动)的参考时钟信号，称为PPS(每秒脉冲数)，PPS与卫星的时钟同步。至少需要4个卫星信号来确定位置并使接收器的时钟同步无误。

电子无线电设备的普及和价格的下降，尤其是软件无线电(SDR)的出现，减少了产生通常被称为电子欺骗的欺骗性GNSS信号的入口点。这样做的目的可能是多方面的，从中断交通，到为放置在其他地方作为不在场证明或娱乐目的而欺骗的个人GNSS使能设备。在因特网上有许多软件社区，其开发出基于一些软件无线电或在一些软件无线电上实施的GNSS民用信号发生器。还有几种关于GNSS的欺骗技术在科学文献中有广泛的描述。

罪犯戴着GNSS使能电子监控(EM)设备就是一个可能使用电子欺骗的例子。运用这种技术，罪犯可以逃避监视，或者为犯罪而制造不在场证明。另一个可能使用电子欺骗的例子是在金融服务中：GNSS时钟同步是拥有精确官方时间的基本要素。例如，自动提款机可以与GNSS时间同步，以对金融交易进行时间标记。在这种机器附近的任何电子欺骗尝试都可能破坏交易的时间记录，导致犯罪行为。电子欺骗还可以被用作对金融机构的拒绝服务(DoS)攻击。重要的GNSS时钟同步的另一个例子是在电力网络中，因为如果存在未检测到的电子欺骗，影响可能是巨大的。

已知的来自专利文献US2015/0226858的GNSS电子欺骗技术，是基于GNSS信号与来自外部经过验证的数据源(如原子钟)的数据信号的比较。基于对在选定的时段内接收的周期数量与预先确定的预期时钟周期值之间的比较值平均来检测威胁。如果GNSS信号与经过验证的源在时间和频率上的差异超过某个阈值，则可能会产生电子欺骗警报。

上述已知的主要测量GNSS信号的频率偏移的技术的一个缺点是，它依赖于一个经过验证的高精度数据源，尤其是使用原子钟，这是昂贵的。此外，考虑到高精度时钟的高频率，所述技术在功耗方面并不是很经济，这是一个特别是对于配备GNSS接收器的独立电池供电设备的缺点。

此外，典型的个人移动设备有尺寸和功率限制，在低功耗和计算资源下运行具有优势。

本发明的目的是提供具有电子欺骗检测的GNSS使能设备，该设备制造起来是可靠且经济的。

提供拥有低功耗的，具有可靠的电子欺骗检测的GNSS使能设备将是有利的。

提供紧凑的适合自主便携应用程序的，具有可靠的电子欺骗检测的GNSS使能设备将是有利的。

本发明的目标是通过设置根据权利要求1所述的GNSS使能设备，以及根据权利要求10所述的检测GNSS每秒脉冲数(PPS)信号的电子欺骗的方法来实现的。

本发明公开了配置为处理每秒脉冲数(PPS)信号的GNSS使能设备，尤其是来自GNSS卫星星座的信号，以确定GNSS使能设备的全球位置，该设备包括

-用来接收PPS信号的GNSS接收器模块(4)；

-计算单元(8)；以及

-参考定时器(6)，其包括本地参考时钟(16)及定时器电路(18)，以测量所述PPS信号的周期。

计算单元和参考定时器配置为测量所述PPS信号抖动的方差，以确定所接收到的PPS信号是真实的还是伪造的。

在实施例中，GNSS接收器模块可以包括用于捕获和解调所述GNSS信号的射频(RF)模块、用于处理和提取原始GNSS RF信号中的GNSS数据的数字信号处理器(DSP)，以及用于将GNSS数据传给计算单元的接口。

在实施例中，定时器电路可以包括连接到本地参考时钟的参考振荡器电路，以及连接到参考振荡器电路的位计数器和锁存器。

在实施例中，计算单元可以包括统计预估程序模块，以计算PPS信号的抖动方差估计值。

在实施例中，统计预估程序模块可以是窗口化的统计预估程序模块。

在实施例中，本地参考时钟可以包括石英振荡器。

在实施例中，石英振荡器可以以MHz数量级的频率振荡，例如16MHz。

在实施例中，所述参考定时器还可以包括连接到定时器电路，以校准本地参考时钟的校准参考时钟。

在实施例中，校准参考时钟包括热补偿石英振荡器(TCXO)。

在实施例中，校准参考时钟可以以kHz数量级的频率振荡，例如在或大约在32，768kHz处。

在实施例中，校准参考时钟的频率可以由定时器电路分割，以产生1Hz的时钟频率。

在实施例中，定时器电路可以包括第一和第二位计数器和第一和第二锁存器，第一位计数器和第一锁存器连接到本地参考时钟，第二位计数器和第二锁存器连接到校准参考时钟。

在实施例中，可以将参考定时器配置为间歇操作，以周期间歇性地进行电子欺骗检测，在电子欺骗检测周期间关闭本地参考定时器，或者本地参考定时器在电子欺骗检测周期间以低于电子欺骗周期期间的频率运行。

本发明还公开了用于监视人的电子监视手环，该手环与根据上述任一实施例的设备结合。

本发明还公开了一种检测GNSS每秒脉冲数(PPS)信号的电子欺骗的方法，包括

-提供根据上述任意一项权利要求的GNSS使能设备，

-使用GNSS接收器模块接收PPS信号，

-使用参考定时器产生参考信号，

-使用参考信号，利用定时器电路测量PPS信号的周期，

-在计算单元中计算PPS信号抖动的方差，

-基于所述PPS信号抖动的方差，在计算单元中确定所述PPS信号是真实的还是伪造的。

在该方法的实施例中，计算所述抖动中的方差可以包括在计算单元中计算抖动方差的统计分布。

在该方法的实施例中，计算单元可以包括用于计算抖动方差的统计分布的窗口化统计预估程序模块。

在该方法的实施例中，确定所述PPS信号是真实的还是伪造的步骤可以包括用存储在设备的存储器中预先确定的阈值，来比较抖动方差或抖动方差的统计分布。

在该方法的实施例中，产生参考信号和测量PPS信号的周期的步骤可以发生在间歇执行的测量周期间，在测量周期之间关闭参考定时器。

在该方法的实施例中，测量PPS信号的周期步骤可以包括用二进制计数器对参考时钟的一定数量的振荡或其倍频进行计数，然后，当从GNSS接收器模块接收到上升沿的PPS信号时，将由锁存器锁存的二进制计数器的二进制值存储在计算单元的存储器中。

在实施例中，该方法可以进一步包括使用产生1Hz信号的校准参考时钟对参考时钟信号进行校准。

在该方法的实施例中，校准可以包括设置第一位计数器和第一锁存器以测量PPS周期，设置第二位计数器和第二锁存器以测量来自校准参考时钟30的1Hz的信号，获得存储在处理单元的各自的锁存器中的值，通过用存储在第一锁存器的值除以存储在第二锁存器的值来执行校准。

本发明的进一步目标和有利特征将从权利要求书和下列本发明实施例的详细描述中体现出来，这些描述与附图相关，其中：

图1是根据本发明的GNSS使能设备的简化原理框图的示意图；

图2是根据本发明第一实施例的GNSS使能设备的原理框图的示意图；

图3是根据本发明第二实施例的GNSS使能设备的原理框图的示意图；

图4是根据本发明实施例的由GNSS使能设备实现电子欺骗检测的方法的原理框图的流程图。

电子欺骗GNSS的各种技术是已知的，但是这些技术引入了通常不存在于真正的GNSS信号中的伪假象。能够检测到这些伪假象使得电子欺骗可以被检测到，因此提高了需要GNSS接收器的系统的安全性。

本发明提供了低能耗、无需使用原子钟等复杂昂贵硬件的检测GNSS电子欺骗伪假象的方法。

如图1所示，GNSS系统包括GNSS接收器模块，该模块获取并解码从GNSS卫星接收到的数据，并将其传输给CPU(中央处理单元)或微型计算机等计算单元，以进一步处理。这些数据可以典型地通过使用例如NMEA 0183(国家海洋电子协会)协议而通过ASCII(美国标准代码信息交换)编码的串行链路进行传输。GNSS数据可以通过任何其他方式传输，但是为了简单起见，这里将引用后一个示例。

GNSS接收器模块包括用于捕获和解调GNSS信号的RF(射频)前端、用于处理和提取原始RF信号中GNSS数据的DSP(数字信号处理器)，以及用于通信和配置GNSS模块的计算机接口。

此实现还依赖于GNSS派生时钟信号。在常用的GNSS接收器模块中，该信号通常由专用的电引脚提供，该引脚提供PPS(每秒脉冲数)信号，该信号的标准精度约为±40ns。由于该信号来自GNSS卫星星座的原子钟，因此PPS信号非常精确和稳定，远远超过了一般GNSS接收器模块上的时钟。

在本发明中，一个重要方面是电子欺骗检测方法包括测量由装备GNSS的设备接收的PPS信号的抖动的方差，该方差由安装在装备GNSS的设备内的参考定时器测量。

如果抖动的方差超过预定阈值，这可能是因为没有从真正的GNSS星座接收到GNSS信号，于是可能产生欺骗警报。

为了测量抖动，装备GNSS的设备包括用于测量PPS脉冲周期的参考定时器，其中在实施例中，参考定时器包括微型计算机的定时器电路和连接到定时器电路的参考电子振荡器电路。这使得微型计算机能够确定从GNSS星座产生的脉冲的周期，以通过使用统计预估器来计算抖动的估计值。在一个有利的实施例中，统计预估器可包括窗口化的方差预估器，但其它类似的预估器可以在本发明范围内使用，例如主成分分析(PCA)、支持向量机(SVN)或其它统计分类器。

根据本发明实施例，装备GNSS的设备的硬件可以包括各种配置，其中两种配置在下文中更详细地描述。根据图2和图3中示意图说明，本发明实施例的装备GNSS的设备2，包括用于接收PPS信号的GNSS接收器模块4、来自GNSS卫星星座1的定位数据、参考时钟6(其包括参考定时器16和定时器电路18)和计算单元8(其包括诸如中央处理单元(CPU)的处理单元和存储器22)。定时器电路可以构成计算单元8的一部分，并且可以包括连接到参考时钟16的参考振荡器24、位计数器26和锁存器28。

在装备GNSS的设备2的第一实施例中，如图2所示，参考定时器6包括标准参考时钟16，其精度类似于期望的精度，例如，来自不需要任何温度补偿的标准石英振荡器。为了简洁起见，我们在本说明中将这种类型的振荡器称为“XO”，不限制其实现的一般性。根据本发明实施例的标准参考时钟可以包括温度补偿弛豫振荡器、硅振荡器或LC(电感电容器)振荡器。

在装备GNSS的设备2的第二实施例中，如图3所示，除了标准参考时钟16之外，参考定时器6还包括具有类似于预期精度(例如，来自具有温度补偿的石英振荡器)的精度的更高精度校准参考时钟32。为了简洁起见，我们在本描述中将这种类型的振荡器称为“TCXO”(热补偿石英振荡器)，但不限制其实现的一般性。根据本发明实施例的高精度参考时钟可以包括压控振荡器(VCXO)、炉控晶体振荡器(OCXO)、温度补偿压控晶体振荡器(TCVCXO)。

现在讨论图2所示的第一实施例，该实施例可以在例如当装备GNSS的设备2中仅设置“XO”型的参考时钟16时实现。用于测量PPS脉冲周期的装备GNSS的设备的参考定时器6，包括参考时钟CLK16，该参考时钟CLK16包括连接到定时器电路18的基于石英的参考振荡器24，该定时器电路18可以有利地包括PLL(锁相环)电路部分，以在需要时倍频。参考定时器6可以有利地包括同步(无波纹)二进制计数器26，该二进制计数器26在每个来自参考时钟CLK16的脉冲上递增。

优选地，参考定时器6的二进制计数器26包括足够的位数，以避免在抖动测量的整个序列期间出现任何溢出，但是二进制计数器26也可以包括比避免溢出所需的更少的位数，前提是溢出的影响通过如下所述的校正算法来校正。在实施例中，每当从GNSS接收器模块4发生上升沿PPS脉冲时，二进制计数器26的二进制值被锁存器28锁存，然后存储(信号LE，锁存允许)，中断GNSS使能设备2的计算单元8，以获取锁存值并继续其进程(信号IRQ，中断请求)。二进制计数器26在锁存和中断过程期间继续计数。可以注意到，二进制计数器26和锁存器28可以是常规电路元件，例如在用作定时器装置的常规计算单元中找到的电路元件。

参考定时器6使得计算单元8能够精确地计算从GNSS接收器模块4接收的PPS脉冲的两个连续上升沿间出现的参考时钟CLK1的参考脉冲的数量。

虽然通过使用如上所述的“XO”型参考定时器，抖动方差测量方法提供可接受的结果，但是检测的质量可以通过使用温度补偿振荡器“TCXO”型来改进，其中较高的工作频率对于精度和温度稳定性都是更好的。参考定时器的更高精度降低了参考定时器的抖动，从而减小了参考信号与接收信号之间抖动方差的统计分布，从而提高了区分真实或欺骗信号的能力。

然而，在低功耗很重要的应用中，例如，对于便携式电池供电的GNSS使能设备，使用“TCXO”型振荡器作为唯一的参考时钟，可能会导致在某些低功耗或长自主应用中的不可接受的功耗。振荡器的功耗通常随工作频率增加，因此TCXO型振荡器和其他高精度振荡器工作的频率高于标准振荡器(例如标准石英振荡器)，而无需任何温度补偿。

对于配置用于为功耗不限于影响参考定时器选择的水平的应用的实施例，也可以使用TCXO型振荡器或其他类型的高精度(高频)振荡器作为唯一的参考时钟，替换在图2所示的实施例中所实现的标准振荡器参考时钟16。

在图3所示的第二实施例中，校准参考时钟30可以在低频模式下工作，因此在PPS信号的抖动测量期间在维持非常高的精度的同时具有低功耗。

此实现背后的想法是使用标准XO型振荡器作为参考时钟16，但是用更精密的第二参考时钟来校准它，该第二参考时钟在这里被命名为校准参考时钟30。

有利地，参考时钟16的振荡器的工作频率可以是MHz数量级的高频，例如在PLL倍频之前约16MHz。在一个有利的实施例中，参考时钟16可以在工作循环模式下周期性地关闭，以在两个电子欺骗检测活动之间或期间节约能源。在能够支持分散控制GNSS信号的真实性的应用中，可以有利地实现运行工作循环模式。在后一实施例中，所选择的标准XO型振荡器具有快速启动时间，以确保有效的轮停(duty-cycling)。

在一个实施例中，校准参考时钟30可以是高精度的低频运行的TCXO，以在低功率下工作。TCXO的工作频率可以是kHz数量级，例如32kHz(或32768kHz)，其被分离(在分频意义上)以产生1Hz时钟信号。

上述数值是用于明确数量级的简单示例，时钟的工作频率在本发明的范围内可以具有不同的值。

在图3所示的第二实施例中，复制第一实施例中设置的位计数器和锁存器，使得有专用于测量PPS周期的第一位计数器26a和第一锁存器28a，以及专用于测量来自校准参考时钟30的1Hz时钟的第二位计数器26b和第二锁存器28b。当PPS或校准参考时钟脉冲产生它们各自的中断时，处理单元20(CPU)获取存储在它们各自的锁存器28a、28b中的值并执行校准过程。可以简单地通过将存储在第一锁存器28a中的值除以(在算术意义上)存储在第二锁存器28b中的值来进行校准，以将通过校准参考时钟30的1Hz周期由定时器电路部分测得的PPS信号的周期标准化，该定时器电路部分连接到参考时钟16。以这种方式进行，使得即使参考时钟16以相对低的精度操作，PPS抖动测量的精度也非常高。使用基于第一和第二锁存器28a、28b的值的算术除法的成本可以忽略不计，因为它每秒仅进行一次。因此，处理单元20的处理流程也可以专门用于管理GNSS使能设备2的其他实时应用，它(处理单元20的处理流程)不会显著地降级。

根据本发明实施例的电子欺骗检测方法，依赖于准确估计由GNSS接收器模块4接收的PPS信号的抖动的能力。该估值是通过计算作为PPS周期的时钟抖动的统计估计量的方差来做出的，该周期是通过使用GNSS使能设备2的本地参考定时器6来测量的。根据GNSS信号的来源(真实的或伪造的)，这种差异将发生变化。然而，由于没有高精度和稳定的本地时钟参考，例如可以安装在GNSS使能设备2上的原子钟，用于确定所获得的PPS信号的时钟抖动中的方差是否对应于真实或欺骗信号的阈值的设置，需要根据本地参考时钟16的运行行为来调整。

为了更好地理解如何通过根据本发明实施例的方法来解释抖动，让我们首先考虑理论上的理想场景，然后解释实际场景如何不同，因为正是这种不同描绘了参考时钟的运行行为的特征。为了简单起见，除非另外提及，假设在本部分中PPS周期通过使用上述第一实施例来测量。同样的原则适用于第二实施例。

理论上的理想场景

在理想场景下，首先假设GNSS原子钟和本地参考时钟16完全匹配且精确，没有抖动。因此，每个PPS脉冲的周期正好是1秒，平均起来PPS脉冲的周期也是1秒，并且相关方差(抖动)为零。

但是如果有人假设从GNSS星座的原子钟接收到的信号不是完美的，但是GNSS使能设备的参考时钟的信号是(完美的)，则测量的PPS脉冲的抖动将不为零，并且相关方差将不为零。假设这里有电子欺骗企图，并且假设该电子欺骗设备使用常规技术来生成其本地时钟，即任何类型的不基于原子时间测量的时钟生成技术，则在与真正的GNSS星座获得的时钟精度相比时，现在基于电子欺骗设备的时钟，PPS脉冲的抖动将显示PPS信号的更大退化。

在此阶段，通过使用诸如方差的统计方法测量PPS脉冲的抖动，然后将该方差与预定阈值进行比较的方法，来检测电子欺骗企图。预先确定该阈值的方法可以是经验的、分析的或根据其他参数(例如温度)进行调整的。

典型的真实场景

实际上，根据本发明实施例的GNSS使能设备的精度确实远低于GNSS星座的原子钟的精度。假设电子欺骗设备不使用原子时钟，然而GNSS使能设备2和电子欺骗设备的时钟将具有相同的数量级。因此，我们可以假设，与GNSS使能设备2或电子欺骗设备的时钟相比，GNSS星座具有几乎完美的时钟。即使GNSS使能设备2有自己的抖动，也会检测到被任何电子欺骗设备添加的抖动。

当GNSS信号是真实的时，PPS脉冲的抖动主要是由于GNSS使能设备2的参考时钟的不规则性，因为相比之下，来自卫星的抖动可以忽略不计。这种抖动基本上是由GNSS使能设备2的本地参考时钟16产生的，所述本地参考时钟16是被描述过且已知。因此低于阈值的具有卫星时钟的抖动的方差应保持不变，以证实GNSS信号的真实性，也是已知的。

当GNSS信号是来自电子欺骗设备的假信号时，来自电子欺骗设备的PPS脉冲的抖动与GNSS使能设备2相比，将产生高于所述阈值的方差，因为所测量的抖动方差将结合GNSS使能设备2的参考时钟16的不精确性和由电子欺骗设备的时钟产生的PPS信号中的抖动。与卫星星座的时钟相比，电子欺骗设备不太可能以如此小的抖动产生PPS信号，所以不可能检测到伪造。一种可能的假设是，通过这种方法使电子欺骗不可检测的唯一途径是，在电子欺骗设备中使用原子参考时钟，就像GNSS卫星星座那样。这种情况被忽略，因为原子时钟非常昂贵，而且还需要与GNSS时钟进行非常精确的同步(参见下面关于松散同步的解释)。此外，如果在电子欺骗设备的开关过程中出现任何错误，都将构成对该欺诈诱骗设备的风险。

当移动GNSS使能设备在非GNSS区域中长时间停留时，会发生松散同步。当它们进入GNSS区域一段时间后，任何由于欺骗信号的存在导致的PPS信号的时间差都不容易被检测到，因为初始时钟参考丢失，它将从起点就基于伪信号重建。检测这种情况的方法是，当GNSS信号丢失时，测量远处PPS脉冲之间经过的时间，并检查它们是否接近1秒的倍数。如果它们与秒的整数明显不同，这表明新的GNSS信号与旧的GNSS信号不同步，并且可能被欺骗。为此，根据本发明实施例的额外的特征是，通过使用包含在GNSS使能设备2中的具有非常低功率的RTC(实时时钟)，将时间戳与新的GNSS轨迹的PPS信号进行比较，以保持在最后的PPS信号上同步。RTC可以在最后的GNSS轨迹(进入非GNSS区域之前)的PPS信号上同步，以检测由于在非GNSS区域内欺骗信号的开始而产生的任何时间间隔。当可用电源由于轮停(duty-cycling)使用而不能使用先前描述的位计数器和锁存器时，此实现是有利的。

当可用功率能够使用位计数器和锁存器时，本发明实施例的另一个优点是，在维持位计数器运行在非GNSS区域内的同时，保持由来自最后一个GNSS轨迹(在进入非GNSS区域之前)的PPS信号获得的位计数器的值，以将其与用新轨迹获得的新PPS值进行比较。比较它与一秒钟的倍数之间的差异，给出了由于存在欺骗信号而导致的同步差异的估计值。如果差别非常接近一秒的倍数，则可以假设GNSS信号是真实的；如果不是，则可能是由于松散同步的电子欺骗设备导致的。在前述的实施例中，可以有利地实现松散同步检测。RTC可以有利地包括在各种实施例的计算单元8中，包括上文描述的第一和第二实施例。

以下是可以在本发明实施例中实现的示例性算法的描述

对于以下描述，令：

t为绝对时间(实数)；

n为输入PPS脉冲的迭代索引(整数)；

N为用于计算移动平均值和移动方差的窗口大小(整数)；

f₀为在PLL倍频后参考时钟的名义上的工作频率(整数)；

PPS₀为当PPS周期和参考振荡器是理想的时，将获得的计数器的值(整数)(数值上，PPS₀等于f₀)；

u为计数器的位数(整数)(在此情况下通常为32或64)；

T为阈值(实数)；以及

m为低于和高于阈值的安全裕度(在有利的实施例中通常为0.1)。

GNSS接收器模块4接收到的每个传入PPS脉冲激活锁存器28，从而锁存位计数器26的值，然后该值由用于计算两个连续脉冲之间的时间差的CPU 20存储。这个差别，记为PPS_diff(n)，其中n是第n个PPS脉冲，存储在用于计算抖动的移动平均值和移动方差的计算单元8的环形缓冲器中。环形缓冲区存储N个值，旧值被传入的新值丢弃。

在参考时钟16是如前所述的“XO”型的标准参考时钟的情况下，它将比GNSS时钟快或慢。由于制造过程或温度的原因，抖动(移动方差)通常小于频率偏移量(移动平均值)，因此几乎不可能在GNSS时钟上下波动。为了比较时钟，有利的是，例如，对称(或镜像)PPS周期的值例如，当PPS周期值低于PPS₀时，在PPS₀之上对称(或镜像)PPS周期的值。上面镜像的选择是任意的；如果在下面镜像，该方法也可以起作用。镜像允许并简化了对所有情况使用相同阈值的方法。这样做的另一个理由是，当接近PPS₀的变化在PPS₀附近波动太频繁时，确保接近PPS₀的变化不会累积，使得它们传送的平均值为零。在最坏的情况下，这可能导致在对方差进行标准化时被零除。这种对称校正原则上类似于有绝对值，只是它以PPS₀而不是以零为中心。当对PPS周期进行对称化时，例如在PPS₀上对PPS周期进行对称化时，当抖动方差在PPS₀周围太近波动时，可能会在抖动方差计算中产生小偏差。然而，这种偏差在实际中是可以忽略不计的，而确保不被零除的优点在很大程度上弥补了这一小缺点。从理论上讲，在这个阶段唯一能产生被零除的情况是，有连续N次条件[PPS]_diff(n)＝[PPS]_0，这种情况在统计上是不可能的，因为真正的时钟是标准型“XO”。

每个新的传入PPS脉冲处都会更新移动平均值和移动方差。移动方差的值有利地通过(除以)移动平均值减去PPS₀标准化。用平均值将方差标准化的过程类似于常规的χ2(khi-平方)统计检验。通过忽略由于这些样本之间所述的演变和不受控条件而引起的频率偏移，它能够对几个抖动方差样本进行公平的比较。从测量的平均值中减去PPS₀，可以用只与理想平均值有相对偏差来将抖动方差标准化。换言之，这样做使得抖动方差的含义能够更少地依赖于平均频率偏移的变化，所述平均频率偏移的变化通常由于例如温度偏移、组件老化和其他类似的外部不受控条件而出现。然而，标准化并没有以例如它掩盖被测的GNSS时钟的真实本性的方式改变抖动估计。

在使用校准参考时钟(类型为“TCXO”)的第二实施例的情况下，在大多数情况下不需要对称化和标准化。至于PPS脉冲，“TCXO”脉冲的周期也是1赫兹，并且通过使用具有高工作频率的本地参考时钟16来独立地测量。然后将被测的PPS算术地除以被测的TCXO参考脉冲周期，从而传送在该方法的下一步骤中用到的精确的PPS周期。这种除法每秒只进行一次，因此CPU的计算时间开销可以忽略不计。

当使用“TCXO”型校准参考时钟30时，外部和非控制条件对本地参考时钟16的稳定性的影响可以忽略不计，并且天然的和欺骗的GNSS信号之间的差异更加明显。因此，不需要对抖动方差进行标准化，也不需要对PPS₀周围的PPS周期进行对称化。实际上，在某些情况下，当平均值非常接近PPS₀时，使用标准化可能会增加和夸大抖动方差的灵敏度，这可能会在甚至没有异常时钟抖动的情况下产生假警报。因此，在这里使用抖动方差标准化可能不会带来任何好处，并且在使用“TCXO”型校准参考时钟时，可能会增加对该方法的预期效率的出乎意料和适得其反的副作用的发生。根据这些考虑，建议最好只在使用“XO”型振荡器的标准参考时钟16而不进行校准时，才进行图4示例方法的步骤3和步骤6，并在使用“TCXO”型校准参考时钟30时跳过或忽略这些步骤。

在所有情况下，阈值T和用于计算移动平均值和移动方差N的窗口大小的值，可以通过实验有利地进行调整，因为它们在很大程度上取决于硬件规格和实现的细节。

最后，将移动方差的值与阈值T进行比较，以确定是否存在欺骗企图。安全裕度m有利地设置在高于最小阈值T约10％的位置上，可以在实际中给出准确的结果。

参照图4，图示说明了确定PPS信号是否真实的方法的实施例，包括以下步骤：

获得：等待下一个第n个PPS脉冲；当PPS信号在时间t处上升时，从锁存寄存器中获取时间戳PPS(t)，并将其值存储在存储器的寄存器中；

PPS(n)←PPS(t)

区别：计算两个连续时间戳之间的差异，以获得两个连续PPS脉冲之间的经过时间，并将结果存储在存储器的寄存器中：

[PPS]_diff(n)＝PPS(n)-PPS(n-1)

在位计数器使样本之间溢出的情况下，按如下方式校正差异：

[PPS]_diff(n)＝PPS(n)+(2^u-PPS(n-1))，

其中u是位计数器的位数，表达式(2^u-PPS(n-1))确实是PPS(n-1)的补充。

对称校正，或镜像(有利地与“XO”型一起使用)：PPS周期是对称的，以确保只考虑与PPS₀的绝对偏差；如下所示：

如果[PPS]_diff(n)<[PPS]_0则使用以下方法校正对称：

[PPS]_diff(n)←2·[PPS]_0-[PPS]_diff(n)。

如果[PPS]_diff(n)≥[PPS]_0则不执行任何操作。

移动平均值：用给定窗口的长度N，计算N个最后的PPS时间差的移动平均值(存储器中丢弃(N+1)个样本)：

Average(n)＝1/N·∑_(u＝n-N)^n[PPS]_diff(u)

移动方差：计算同一组PPS时间差上的抖动方差：

标准化(有利地与“XO”型一起使用，见正文)：将(在点n处的)方差除以在步骤4中(在点n处)获得的平均值，减去PPS₀，以标准化方差：

[Variance]_norm(n)＝(Variance(n))/(Average(n)-[PPS]_0)

比较：将n点处的方差模(仅“XO”或类似)或方差(“TCXO”或类似)与阈值T和安全裕度m比较：

·如果结果小于阈值的(1-m)，在统计上认为GNSS信号是真实的。

·如果结果介于阈值的(1-m)和(1+m)之间，有电子欺骗的嫌疑；应保持或增加监视，等待电子欺骗企图的合理证实。

·如果结果高于阈值的(1+m)，很有可能是GNSS信号被欺骗。如果需要，该裕度可作为给阈值简单添加滞后的一种选择。

迭代：递增n，通过跳到步骤1来重复序列。

上述步骤如图4所示，显示了处理流程和条件分支。当单独使用标准参考时钟16时，主要流程呈现该方法。当使用“TCXO”型作为校准参考时钟30时，可选的右流程连接在主流程的A点和B点之间，代替中间的流程，以通过校准参考时钟30实现参考时钟16的校准。点C缩短流程，以跳过镜像步骤S3；点D缩短流程，以跳过方差标准化步骤S6。

有利地，本发明可以在用于电子监视人的移动GNSS使能设备中实施，尤其是如专利文献EP2795588中所述的罪犯佩戴的电子监视手环。

本发明实施例的优点包括以下方面：

·根据本发明实施例的GNSS使能设备可以使用常规的统计方法来评估时钟抖动的离差。检测是概率性的，并且取决于环境条件；但是，在一段时间后不可能检测不到欺骗信号。更重要的是，没有办法确定或影响在多长时间后，该方法将检测到GNSS电子欺骗企图；因此，这种不确定性是阻止某人欺骗定位系统的重要因素。

·根据本发明实施例的GNSS使能设备有利地使用来自于在GNSS使能设备2处测得的PPS信号抖动的抖动方差，窗口化其他给定的时间段N(以样本表示)，以确定接收的PPS信号是否真实。当接收到的PPS信号是真实的，即它们来自GNSS卫星星座时，所测量的抖动方差保持在给定阈值以下，因为只有GNSS使能设备2的时钟抖动包含在离差中并且是已知的。当GNSS信号被欺骗时，接收到的PPS信号的抖动将超过所述阈值，因为电子欺骗硬件的时钟抖动有助于并增加GNSS使能设备2处的被测量的时钟抖动的离差，除非欺骗设备与GNSS卫星时钟或独立的原子钟同步，它实际上是不太可能的。

·根据本发明实施例的GNSS使能设备有利地使用在GNSS使能设备处测得的时钟抖动的N个样本的移动平均值，以标准化所述时钟抖动的上述方差。建议使用该标准化，以使用恒定阈值，该阈值最好尽可能保持独立于诸如温度、卫星星座可见性、精度因子(DOP)等环境条件。这些环境条件很可能改变移动平均值，从而改变方差的含义。确定平均移动窗口的长度和阈值是本发明可用性的有利因素，并且它们在很大程度上取决于用于实现接收器的硬件，以及最终用户所要求的对假警报的鲁棒性。阈值可以是固定的，也可以是自适应的，以补偿例如温度引起的变化。

·根据本发明实施例的GNSS使能设备提供了一种通过使用用于校准的极低频低功耗TCXO(或类似)参考时钟和高频常规XO(或类似)型参考时钟来测量PPS周期的有利方法。TCXO(或类似)用于通过标准化，计算PPS脉冲的被测周期。这种方法能够同时具有非常高的精度和非常低的功耗。它还可以使TCXO参考(时钟)以一种时断时续的方式使用，以在不显著降低精度的情况下进一步降低功耗(轮停(duty-cycling)使用)。使用此方案，不再需要用平均值将抖动方差标准化。

·本发明还描述了一种检测松散同步的方法，用于在移动设备中实现，并且可以放置在非GNSS区域中。该方法将进入无GNSS区域之前获得的最后的PPS信号与离开无GNSS区域之后获得的新的PPS信号之间经过的时间进行比较。真正的GNSS信号将保持同步，而欺骗信号将显示时间间隔。一个实施例使用内置位计数器来记录最后的PPS信号；另一个实施例是在需要轮停(duty-cycling)来节能时使用低功率RTC。

·根据本发明实施例的方法可以以非常规方式使用常规算法，因此所需的计算功率非常小，并且可以通过使用具有简单数学操作和编程结构的简单微控制器来实现。例如，不需要浮点单元(FPU)。

·检测质量取决于GNSS使能设备的参考时钟的精度，但它不需要像GNSS原子时钟一样精确以准确工作，因为设备的本地参考时钟相对于GNSS原子时钟的抖动方差可以很好地表征，使得与电子欺骗设备时钟的差异可以很容易确定。

·根据本发明实施例的GNSS使能设备可以单独使用，并且达到非常好的防止电子欺骗的安全水平。这种安全性可以通过与其他反电子欺骗检测技术相结合来提高，前提是其他技术是在GNSS信号的其他时钟抖动无关特性的基础上(考虑到独立特性提高了电子欺骗检测的鲁棒性)。

·根据本发明实施例的GNSS使能设备，有利的是，由于它的低功耗，尤其可以用于移动设备。

参考列表

GNSS使能设备2

GNSS接收器模块4

射频模块10

数字信号处理器12

接口14

参考定时器6

参考时钟16

定时器电路18

参考振荡器24

位计数器26

第一位计数器26a

第二位计数器26b锁存器28

第一锁存器28a

第二锁存器28b

校准参考时钟32

计算单元8

处理单元(如CPU)20

存储器22

链路30

串行链路

PPS链路

GNSS卫星星座1

Claims

1.GNSS使能设备(2)，配置为处理每秒脉冲数PPS信号，尤其是来自GNSS卫星星座的信号，以确定该GNSS设备的全球位置，所述设备包括：

-配置为获取PPS信号的GNSS接收器模块(4)；

-计算单元(8)；以及

-参考定时器(6)，其包括本地参考时钟(16)和定时器电路(18)，以测量所述的PPS信号周期；

其中，计算单元和参考定时器配置为测量所述PPS信号的抖动方差，以确定接收到的PPS信号是真实的还是伪造的。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述GNSS接收器模块包括用于捕获和解调所述的GNSS信号的射频RF模块，用于处理和提取原始GNSS射频信号中GNSS数据的数字信号处理器DSP(12)，以及用于将GNSS数据传输至计算单元的接口(14)。

3.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述定时器电路包括连接到本地参考时钟(16)的振荡器电路(24)，以及连接到参考振荡器电路的位计数器(26，26a，26b)和锁存器(28，28a，28b)。

4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述计算单元包括统计预估程序模块，例如窗口化的统计预估程序模块，用于计算PPS信号的抖动方差估计值。

5.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述本地参考时钟包括石英振荡器，例如以MHz数量级的频率振荡的石英振荡器，例如16MHz。

6.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述参考定时器还包括连接到定时器电路，以校准本地参考时钟的校准参考时钟(30)。

7.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述校准参考时钟包括热补偿石英振荡器(TCXO)，所述校准参考时钟例如以kHz数量级的频率振荡，例如32.768kHz。

8.根据前两项权利要求中的任何一项所述的设备，其中，所述定时器电路包括第一计数器和第二位计数器以及第一锁存器和第二锁存器，第一位计数器和第一锁存器连接到本地参考时钟，第二位计数器和第二锁存器连接到校准参考时钟。

9.用于监视人的电子监视手环，与根据上述任一权利要求所述的设备结合。

10.检测GNSSS每秒脉冲数PPS信号的电子欺骗的方法，包括

-提供根据上述任何一项权利要求的GNSS使能设备；

-使用GNSS接收器模块接收PPS信号；

-使用参考定时器产生参考信号；

-利用参考信号，用定时器电路测量PPS信号的周期；

-在计算单元中计算PPS信号的抖动方差；

-基于所述PPS信号的抖动方差，在计算单元中确定所述PPS信号是真实的还是伪造的。

11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，计算所述的抖动方差包括在计算单元计算抖动方差的统计分布，例如通过安装在计算单元的窗口化中的统计预估程序模块，来计算抖动方差的统计分布。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，确定所述PPS信号是真实的还是伪造的步骤，包括将抖动方差或抖动方差的统计分布与存储在设备的存储器中的预先确定的阈值进行比较。

13.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，产生参考信号和测量PPS信号的周期的步骤发生在间歇执行的测量周期期间，所述参考定时器在测量周期之间被关闭。

14.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，测量PPS信号的周期的步骤包括用二进制计数器(26)计算所述参考时钟的振荡次数或其倍频，然后当从GNSS信号接收器模块接收到PPS信号的上升沿时，将通过锁存器(28)锁存的二进制计数器的二进制值存储在计算单元的存储器中。

15.根据前述任一权利要求所述的方法还包括用产生1Hz信号的校准参考时钟校准参考时钟。

16.根据前述权利要求所述的方法，其中，校准包括设置第一位计数器(26a)和第一锁存器(28a)，以测量PPS周期，以及第二位计数器(26b)和第二锁存器(28b)，以测量来自校准参考时钟30的1Hz信号，获得存储在处理单元(20)中各自锁存器(28a，28b)中的值，通过用存储在第一锁存器的值除以存储在第二锁存器的值来进行校准。