CN112162301A - 抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片，该方法包括：卫星射频接收模块接收定位卫星射频信号，检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值；卫星射频信号身份识别模块对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号；识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。本发明从信号层面已对信号的真伪进行了识别，保证上层位置解算的真实性，达到了及时准确的检测和有效对抗欺骗攻击的目的。

Description

抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片

技术领域

本发明涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片。

背景技术

现有的导航定位芯片在芯片开始工作时，捕获并跟踪卫星信号，解算出位置信息，其内置的安全报警功能能够根据位置信息变化是否超出预设的经纬度阈值判定是否遭受欺骗攻击，现有的导航定位芯片存在以下缺陷：1.在卫星信号较弱的环境下容易引起较高的误判率。芯片判定是否遭受欺骗攻击仅通过对解算出来以后的定位信息作为判决依据。芯片只在解算出位置信息后，使用解算结果结合阈值进行判定，当芯片处于卫星信号较弱等复杂的环境中，则容易出现因芯片本身产生的定位误差引起芯片判决失误。2.阈值设定情况复杂影响芯片判定欺骗的准确率。芯片判定只依据解算后的位置信息，通过设定对比位置变化的阈值判定欺骗攻击，然而芯片预设的经纬度阈值的设定，需考虑对不同定位精度环境下和载体不同的运动状态下设定不同的阈值，从而极大的降低芯片的判定准确率。3.只有检测欺骗攻击功能，无法对抗欺骗攻击。因芯片判定欺骗攻击是在解算位置之后，当芯片检测到欺骗攻击时已完成位置解算，无法滤除欺骗攻击信号的影响，无法提供载体的真实位置，故无法对抗欺骗攻击。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片，实现卫星导航定位芯片在各种复杂的环境下且载体在不同的运动状态下仍保证导航定位芯片具有有效检测并对抗干扰欺骗攻击的能力。

本发明第一部分提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，该方法包括：

卫星射频接收模块接收定位卫星射频信号，检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值；

卫星射频信号身份识别模块对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号；

识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

进一步的，在卫星射频接收模块接收定位卫星信号前，具体还包括步骤：

激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新；

控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常。

进一步的，所述激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新，具体包括：

控制决策单元向固件更新单元发送更新指令，固件更新单元接收更新指令后向地面总站发出固件更新请求；

固件更新单元根据地面总站请求处理结果进行固件更新，向控制决策单元反馈固件更新结果。

进一步的，所述控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常，具体包括：

控制决策单元向随机虚假信号生成器发出安全自检指令；

随机虚假信号生成器接收指令后随机选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号；

对虚假信号进行识别并发送识别结果至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

进一步的，所述对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号，具体包括：

对所接收信号进行预处理，预处理后检测并截取可识别的卫星信号；

将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

本发明第二部分提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，该芯片包括：

卫星射频接收模块，用于接收定位卫星信号，监测所接收信号功率强度是否超出预设阈值；

卫星射频信号身份识别模块，用于对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号；

位置时间解算模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；

安全控制模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

进一步的，所述安全控制模块还包括控制决策单元，用于在被激活时进行首次自检，检测固件是否需要更新，以及进行二次自检，检测卫星射频信号身份识别模块是否正常运行。

进一步的，所述安全控制模块还包括固件更新单元，所述固件更新单元用于接收控制决策单元发送的更新指令，并根据更新指令向地面总站发出固件更新请求，根据地面总站请求处理结果进行固件更新，向控制决策单元反馈固件更新结果。

进一步的，所述芯片还包括随机虚假信号生成器，所述随机虚假信号生成器用于接收控制决策单元发出的安全自检指令，在接收指令后随即选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号，将虚假信号发送到卫星射频信号身份识别模块进行识别，将识别结果发送至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

进一步的，所述卫星射频信号身份识别模块具体包括：

卫星信号预处理单元，用于对所接收信号进行预处理；

卫星信号区间截取单元，用于对预处理后的卫星信号进行检测并截取可识别的卫星信号；

卫星射频指纹变换单元，用于将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

识别认证单元，用于获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法及芯片，通过检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值可以防止大功率信号烧毁电路，并通过使用卫星射频信号身份识别模块实现及时准确的识别和分离真实信号与虚假信号，从信号层面已对信号的真伪进行了识别，保证上层位置解算的真实性，达到了及时准确的检测和有效对抗欺骗攻击的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，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。

图1是本发明一实施例提供的抗欺骗干扰卫星导航定位方法流程示意图。

图2是本发明一实施例提供的卫星射频接收模块工作原理示意图。

图3是本发明一实施例提供的随机虚假信号生成器工作原理示意图。

图4是本发明一实施例提供的卫星射频信号身份识别模块工作原理示意图。

图5是本发明一实施例提供的卫星射频指纹更新原理示意图。

图6是本发明一实施例提供的抗欺骗干扰卫星导航定位芯片工作原理示意图。

图7是本发明一实施例提供的安全控制模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参照图1，本发明提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，所述方法包括以下步骤：

S1、卫星射频接收模块接收定位卫星射频信号，检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值。

S2、卫星射频信号身份识别模块对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号。

S3、识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

如图2所示，所述卫星射频接收模块由卫星信号接收天线、信号功率检测及电路保护单元、低噪放大器、混频器、滤波器、放大器、AD转换器和数字信号处理通道组成。所述卫星信号接收天线接收定位卫星射频信号后，由信号功率检测及电路保护单元检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值，若功率过大则进行报警；若功率正常，则将卫星信号传输至低噪放大器，将卫星信号接收天线上的微弱信号放大，同时保证信号噪声较低，之后混频器将经过放大的低噪信号与本地精准时钟混频，将卫星信号混频到较低的频率，经滤波器去除掉信号带之外的噪声信号，通过AD转换器将有用的信号量化成数字信号送至数字信号处理通道，数字信号处理通道将n颗卫星通过n个并行通道传输至卫星射频信号身份识别模块。

所述信号功率检测及电路保护单元包括原始信号接收单元、功率过载监视单元、电路控制单元和信号通路控制单元。原始信号接收单元接收卫星信号接收天线的信号，检测信号的频率范围，并将信号通过功率过载监视单元判断信号功率是否过大，功率过载监视单元可采用二极管检波、对数检波、均方根检波等方法实现；电路保护控制单元得到功率检测结果，根据功率检测结果，判定是否继续接收信号或者报警；信号通路控制单元接收电路保护控制单元的指令，决定所接收信号是否进行下一步的信号处理。

作为一个示例，在卫星射频接收模块接收定位卫星信号前，具体还包括步骤：

激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新；

控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常。

其中，所述激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新，具体为：

控制决策单元向固件更新单元发送更新指令，固件更新单元接收更新指令后向地面总站发出固件更新请求。

固件更新单元根据地面总站请求处理结果进行固件更新，向控制决策单元反馈固件更新结果。若无可更新固件，则固件更新单元向控制决策单元发出无更新反馈，控制决策单元进行下一步自检；若有固件更新，则固件更新单元向控制决策单元发出正在更新的反馈信息，控制决策单元开始等待，固件更新单元下载数据进行固件更新。更新完成后，固件更新向控制决策单元发出更新完成反馈，控制决策单元开始进行下一步自检。

所述控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常，具体为：

控制决策单元向随机虚假信号生成器发出安全自检指令。

随机虚假信号生成器接收指令后随机选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号。

对虚假信号进行识别并发送识别结果至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

所述随机虚假信号生成器仿造卫星生成虚假的卫星导航定位信号，其生成的虚假信号严格按照卫星导航定位信号公开的信号规范生成，保证其生成的虚假信号可以被普通定位接收器捕获和跟踪。如图3所示，随机虚假信号生成器具体包括激活单元、卫星星历单元、卫星信号生成单元。激活单元接受控制决策单元的指令，激活整个模块开始工作，卫星星历单元包含各个卫星的星历参数，收到激活单元的指令后随机选取若干颗卫星的卫星参数，卫星信号生成单元根据接收到的卫星星历参数，按照卫星信号的标准生成各路卫星信号，并将信号传输至卫星射频信号身份识别模块进行识别。该模块应用于安全芯片前期通电自检阶段，主要为检测卫星射频信号身份识别模块功能的正常性提供模拟的攻击场景。

作为一个示例，步骤S2中，所述对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号，具体包括：

对所接收信号进行预处理，预处理后检测并截取可识别的卫星信号；

将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

卫星射频接收模块在正常工作过程中可能会接收到真实信号和虚假信号，如图4所示，卫星射频信号身份识别模块接收到各通道的卫星信号之后，通过预处理单元对各通道信号进行相位补偿、能量归一化等预处理操作，预处理之后通过卫星信号区间截取单元检测可识别的卫星信号，并截取各通道的可识别的卫星信号提供给卫星射频指纹变换单元，卫星射频指纹变换单元通过变换到时域、频域或小波域将该段卫星信号转换成可进行射频指纹特征提取的信息，卫星射频指纹提取单元提取各通道卫星信号发射设备的相关特征，每个通道的信号构成一个特征向量作为该路卫星信号的射频指纹，识别认证单元利用卫星射频信号指纹库提供的真实卫星信号指纹，将各通道待识别的卫星信号射频指纹同各通道卫星信号声称的卫星编号的射频指纹进行对照，区分出真实的信号与虚假的欺骗信号，所述对照可以通过支持向量机算法实现，也可以采用其他算法实现。

其中，如图5所示，真实卫星信号指纹的更新通过开机自检的固件更新实现，地面总站通过卫星信号接收机收集最新的卫星信号，得到最新的各卫星信号射频指纹特征，芯片在首次自检时及时更新固件，以获取最新的卫星射频指纹特征。

基于同样的发明构思，本发明另一实施例提供一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，如图6所示，所述芯片包括：

卫星射频接收模块，用于接收定位卫星信号，监测所接收信号功率强度是否超出预设阈值。

卫星射频信号身份识别模块，用于对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号。

位置时间解算模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息。

安全控制模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

如图7所示，安全控制模块包括报警标识单元、控制决策单元、位置时间采集单元、温度/电压采集单元、报警单元、固件更新单元。芯片通电后会激活控制决策单元，控制决策单元完成两步开机自检，第一步通知固件更新单元检查是否有更新，固件更新单元通过服务器检查更新，并向控制决策单元发出标识信息：无更新、正在更新、更新完成。固件更新由固件更新单元直接与卫星射频信号身份识别模块通信进行更新，当控制决策单元收到无更新或更新完成信息后，则启动第二步自检，控制决策单元通知随机虚假信号生成器发出虚假信号，检测卫星射频信号身份识别模块是否正常运行。同时通过温度/电压采集单元获取芯片自身物理状态，结合报警标识单元获取的信息，判断芯片功能和自身物理状态是否正常，将结果通过报警单元传输至安全报警模块，由安全报警模块根据信息采取相应的措施。开机自检通过后，控制决策单元向位置时间采集单元发出接收位置时间信息指令，芯片开始正常工作。整个工作过程中，控制决策单元始终监视报警标识单元与温度/电压采集单元信息，对欺骗攻击和自身物理状态异常做出及时响应。

安全报警模块通过接收安全控制模块的指令，提供复位功能、中断功能和警示功能，分别通过复位模块、中断模块和警示模块实现，其信息标识分别为“0”、“1”、“2”。三种功能的激活条件分别为，复位功能：开机自检无故障，芯片复位开始准备工作；中断功能：开机自检故障芯片无法工作或工作中发现达到对芯片电路造成伤害的大功率干扰信号，启用中断功能停止芯片工作。警示功能：芯片工作中发现欺骗信号，芯片仍能正常工作，但发出警示消息，提醒载体正在遭受攻击。三种功能的激活通过安全控制模块指令实现。

所述芯片还包括随机虚假信号生成器，所述随机虚假信号生成器用于接收控制决策单元发出的安全自检指令，在接收指令后随即选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号，将虚假信号发送到卫星射频信号身份识别模块进行识别，将识别结果发送至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

所述卫星射频信号身份识别模块具体包括：

卫星信号预处理单元，用于对所接收信号进行预处理；

卫星信号区间截取单元，用于对预处理后的卫星信号进行检测并截取可识别的卫星信号；

卫星射频指纹变换单元，用于将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

识别认证单元，用于获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

上述装置实施例用于实现前述方法实施例，其原理和有益效果均可参照前述方法实施例，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，应用于芯片，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

卫星射频接收模块接收定位卫星射频信号，检测所接收信号功率强度是否超出预设阈值；

卫星射频信号身份识别模块对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号；

识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，其特征在于，在卫星射频接收模块接收定位卫星信号前，具体还包括步骤：

激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新；

控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常。

3.根据权利要求2所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，其特征在于，所述激活控制决策单元进行首次自检，检测固件是否需要更新，具体包括：

控制决策单元向固件更新单元发送更新指令，固件更新单元接收更新指令后向地面总站发出固件更新请求；

固件更新单元根据地面总站请求处理结果进行固件更新，向控制决策单元反馈固件更新结果。

4.根据权利要求2所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，其特征在于，所述控制决策单元进行二次自检，检测信号识别功能是否正常，具体包括：

控制决策单元向随机虚假信号生成器发出安全自检指令；

随机虚假信号生成器接收指令后随机选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号；

对虚假信号进行识别并发送识别结果至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

5.根据权利要求1所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位方法，其特征在于，所述对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号，具体包括：

对所接收信号进行预处理，预处理后检测并截取可识别的卫星信号；

将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

6.一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，其特征在于，所述芯片包括：

卫星射频接收模块，用于接收定位卫星信号，监测所接收信号功率强度是否超出预设阈值；

卫星射频信号身份识别模块，用于对所接收信号进行预处理，截取可识别的定位卫星信号进行识别区分真实信号与虚假信号；

位置时间解算模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为真实信号时，对所接收信号进行结算获取真实位置时间信息；

安全控制模块，用于在卫星射频信号身份识别模块识别所接收信号为虚假信号时，发出报警信息。

7.根据权利要求6所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，其特征在于，所述安全控制模块还包括控制决策单元，用于在被激活时进行首次自检，检测固件是否需要更新，以及进行二次自检，检测卫星射频信号身份识别模块是否正常运行。

8.根据权利要求7所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，其特征在于，所述安全控制模块还包括固件更新单元，所述固件更新单元用于接收控制决策单元发送的更新指令，并根据更新指令向地面总站发出固件更新请求，根据地面总站请求处理结果进行固件更新，向控制决策单元反馈固件更新结果。

9.根据权利要求7所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，其特征在于，所述芯片还包括随机虚假信号生成器，所述随机虚假信号生成器用于接收控制决策单元发出的安全自检指令，在接收指令后随即选择若干颗卫星的卫星参数并生成虚假信号，将虚假信号发送到卫星射频信号身份识别模块进行识别，将识别结果发送至安全决策单元，安全决策单元根据识别结果向安全报警单元发送相应指令。

10.根据权利要求6所述的一种抗欺骗干扰卫星导航定位芯片，其特征在于，所述卫星射频信号身份识别模块具体包括：

卫星信号预处理单元，用于对所接收信号进行预处理；

卫星信号区间截取单元，用于对预处理后的卫星信号进行检测并截取可识别的卫星信号；

卫星射频指纹变换单元，用于将截取的卫星信号转换为可进行射频指纹特征提取的信息，并提取相应射频指纹信息；

识别认证单元，用于获取卫星射频信号指纹库中的真实卫星信号指纹，将真实卫星信号指纹与待识别的射频指纹信息进行对比，根据对比结果判断射频指纹信息对应的卫星信号为真实信号或虚假信号。

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