CN112285746B - 基于多路径信号的欺骗检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多路径信号的欺骗检测方法和装置。该方法包括：接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号，获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的信噪比估计值SNR，根据所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角与接收机的第一短时方差z1的对应关系，并存储该对应关系；根据所述第一短时方差z1，设置预设门限值T；在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。本发明针对压制式注入攻击和诱导式注入攻击两种欺骗手段均具有较好的检测性能。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于多路径信号的欺骗检测方法和装置。
背景技术
当前，全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)采用中高轨星座结构，导致地面所接收到的卫星信号极为微弱，且民用信号均采用开放的信号体制，这就使得地面接收设备很容易受到外界的干扰。欺骗式干扰就属于其中危害性最大的干扰之一。欺骗式干扰源通过播发与真实卫星信号极为相似的欺骗信号，从而使接收机输出错误的定位及授时结果。总体而言，针对卫星导航系统的欺骗手段可分为转发式欺骗方法和生成式欺骗方法两大类；其中，转发式欺骗将真实的卫星信号经过一定时延并放大后转发至目标接收机，而生成式欺骗采用信号模拟器产生出欺骗信号发送至目标接收机区域，其目的均是通过信号功率压制方法使得目标接收机跟踪环路自动锁定欺骗信号，从而产生错误的定位授时结果，达到欺骗目的。
自2001年美国运输部首次系统性的评估了欺骗式干扰对使用卫星定位服务的基础设施的危害性之后，学术界和工业界启动了抗欺骗式干扰技术的研究，并提出了多种不同类型的抗欺骗干扰技术。基于信号加密认证的抗欺骗干扰技术，通过在民用卫星导航信号中引入带有加密认证功能的安全码从而提高信号体制的整体抗欺骗性能，但该方案需要从卫星导航系统顶层设计出发对整个信号体制进行更改，成本高昂，实施难度大，仍处于论证阶段。多天线阵列处理对卫星信号的到达角进行估计，由于欺骗信号的入射角与真实信号存在明显差异，因此可有效检测并分离出欺骗信号，但这类接收机体积大，处理能力要求高，使用范围受限。其他抗欺骗技术还包括：功率联合检测法、伪距及载波一致性检测法、射频自动增益因子检测法、及载波相位检测法等。但这些方法均有很大的局限性，仅利用了欺骗信号产生过程中可能出现的与真实信号的细微差别，而随着欺骗干扰技术的发展，此类检测算法的有效性会逐步下降。另外，类似地基增强站、授时型接收机等静态接收机所面临的欺骗攻击风险显著高于其他类型接收机，静态接收机的位置固定，天线处卫星信号的相关参数易于预测，因此攻击者很容易构建出复杂的欺骗手段，以避开常见的防欺骗方法。
发明内容
本发明实施例的目的在于提出一种基于多路径信号的欺骗检测方法和装置，旨在克服现有技术所存在的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于多路径信号的欺骗检测方法，采用了如下所述的技术方案：
接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
进一步地，所述获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的信噪比估计值SNR的步骤，具体包括：
获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
进一步地，所述获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形的步骤之前，还包括步骤：
获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
进一步地，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
进一步地，所述根据所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角与接收机的第一短时方差z1的对应关系的步骤，具体包括：
根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例同时提供一种基于多路径信号的欺骗检测装置，采用了如下所述的技术方案：
接收模块，用于接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
第一计算模块，用于获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
第二计算模块，用于根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
设置模块，用于根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
检测模块，用于在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
进一步地，所述第一计算模块，具体包括：
获取单元，用于获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
叠加单元，用于对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
积分单元，用于生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
统计单元，用于对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
进一步地，所述基于多路径信号的欺骗检测装置，还包括：
获取模块，用于获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
进一步地，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
进一步地，所述第二计算模块，包括：
计算单元，用于根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于多路径信号的欺骗检测方法和装置主要有以下有益效果：
本发明方案通过在基于多路径信号的欺骗检测方法利用地面反射路径对接收机信噪比估计值SNR的影响，建立了基于第一短时方差z1的统计检验量，以实现对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测。本发明方案的算法利用了物理信道环境的唯一性来设计检验方法，使用第一短时方差z1作为观测量，数据获取难度低，可用于易受欺骗攻击的单天线单频点静态类型通用接收机使用。该方法在大部分卫星仰角范围内针对两种欺骗注入的攻击方式均具有较好的检测性能，可以高效、可靠的识别卫星导航信号欺骗干扰的存在。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明一个实施例中基于多路径信号的欺骗检测方法的流程示意图；
图2是本发明一个实施例中基于多路径信号的欺骗检测装置的结构示意图；
图3是本发明一个实施例中卫星信号路径示意图；
图4是本发明一个实施例中欺骗信号传播路径示意图；
图5是本发明一个实施例中卫星高度角与多径延迟的关系；
图6是本发明一个实施例中卫星高度角与接收信号幅度增益的关系；
图7是本发明一个实施例中仿真设置的卫星轨迹和天线增益示意图；
图8是本发明一个实施例中压制式注入的载噪比估计值与真实信号载噪比估计值对比示意图；
图9是本发明一个实施例中诱导式注入的载噪比估计值与真实信号载噪比估计值对比示意图；
图10是本发明一个实施例中检验统计量与高度角的关系；
图11是本发明一个实施例中针对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测概率；
图12是本发明一个实施例中检测时间对不同信噪比环境下欺骗检测概率。
具体实施方式
除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本申请中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1，本发明实施例提供一种基于多路径信号的欺骗检测方法，包括步骤：
S1、接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
S2、获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
S3、根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
S4、根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
S5、在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
在本实施例中，卫星导航的多径信号通常被看作影响定位精度的主要误差源之一，随着GNSS技术的发展，研究人员发现GNSS多径信号中携带了丰富的物理环境信息，并可通过对多径信号的接收处理实现对物理环境的反演，由此开辟了一个新的研究领域——GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技术。在对GNSS接收机实施欺骗攻击时，欺骗源很难对GNSS信号传播路径上的物理环境产生影响，因此多径信号中携带的物理信道信息可视为检测欺骗信号的可靠依据。
在步骤S1中，本发明实施例所采用的接收机为静态接收机，第i颗卫星指的是静态接收机能够接收到该卫星GNSS信号的任意一颗卫星；接收机所接收到的GNSS信号包括GNSS直射信号和GNSS多径信号。在接收机稳定跟踪该卫星后，在无干扰信号的情况下，接收机在卫星特定的高度角所接收到的GNSS信号是恒定不变的。
在步骤S2中，由于接收机在卫星特定的高度角所接收到的GNSS信号是恒定不变的，即在卫星特定的高度角，GNSS多径信号是恒定的，并不随干扰信号的出现而改变，因此接收机在接收到特定的GNSS信号时自身的参数是恒定的，对应的信噪比估计值SNR也是恒定不变的，信噪比估计值SNR与卫星高度角相关。上述获取信噪比估计值SNR的方法可以是已知的获取手段中的任意一种。
在步骤S3中，由前述可知信噪比估计值SNR与卫星高度角相关，第一短时方差z1与卫星高度角相关，利用这一特点，可以以第一短时方差z1制作检测模型。
在步骤S4以及S5中，利用GNSS多径信号对接收机信噪比估计值SNR的影响，建立了基于信噪比估计值SNR的第一短时方差z1的统计检验量，通过第一短时方差z1与预设门限值T对比，能够发现干扰信号的存在，以实现对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测。算法利用了物理信道环境的唯一性设计检验方法，使用信噪比估计值作为观测量，数据获取难度低，可用于易受欺骗攻击的单天线单频点静态类型通用接收机使用。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测方法，本申请还提出了第二实施例其中，所述获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的信噪比估计值SNR的步骤，具体包括：
获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
在本实施例中：
GNSS直射信号为：Si(t)＝AiCi(t-τi)cos(2πfit-φi)//(3)
GNSS多径信号为：
接收机接收到的GNSS信号为：
在稳定跟踪阶段，本地复制波形为：
ri＝Ci(t-τi-δτi)cos[2π(fi+δfi)+φi+δφi]//(6)
将本地复制波形与接收到的GNSS信号进行相干积分，获得积分结果yi：
通过相干积分结果估计第i颗卫星的信噪比，有
结合式(7)和式(8)获取所述信噪比估计值SNR：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、Ci为测距码、τi为测距码延迟、fi为多普勒频移、φi为载波相位初始值、为GNSS多径信号的第二信号幅、/>为多径传播延迟、/>为设多径相位改变量、δτi为码相位跟踪误差、δfi为多普勒频率跟踪误差、δφi为载波相位跟踪误差、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、ni为观测噪声、/>为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测方法，本申请还提出了第三实施例其中，所述获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形的步骤之前，还包括步骤：
获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
在本实施例中，可以通过接收机本身以及其他接收设备对GNSS信号进行处理，获取上述GNSS信号以及接收机相关信息。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测方法，本申请还提出了第四实施例，其中，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测方法，本申请还提出了第五实施例，其中，所述根据所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角与接收机的第一短时方差z1的对应关系的步骤，具体包括：
根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
参照图2，本发明第六实施例提供一种基于多路径信号的欺骗检测装置，包括：
接收模块1，用于接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
第一计算模块2，用于获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
第二计算模块3，用于根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
设置模块4，用于根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
检测模块5，用于在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
在本实施例中，卫星导航的多径信号通常被看作影响定位精度的主要误差源之一，随着GNSS技术的发展，研究人员发现GNSS多径信号中携带了丰富的物理环境信息，并可通过对多径信号的接收处理实现对物理环境的反演，由此开辟了一个新的研究领域——GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技术。在对GNSS接收机实施欺骗攻击时，欺骗源很难对GNSS信号传播路径上的物理环境产生影响，因此多径信号中携带的物理信道信息可视为检测欺骗信号的可靠依据。
在步骤接收模块1中，本发明实施例所采用的接收机为静态接收机，第i颗卫星指的是静态接收机能够接收到该卫星GNSS信号的任意一颗卫星；接收机所接收到的GNSS信号包括GNSS直射信号和GNSS多径信号。在接收机稳定跟踪该卫星后，在无干扰信号的情况下，接收机在卫星特定的高度角所接收到的GNSS信号是恒定不变的。
在步骤第一计算模块2中，由于接收机在卫星特定的高度角所接收到的GNSS信号是恒定不变的，即在卫星特定的高度角，GNSS多径信号是恒定的，并不随干扰信号的出现而改变，因此接收机在接收到特定的GNSS信号时自身的参数是恒定的，对应的信噪比估计值SNR也是恒定不变的，信噪比估计值SNR与卫星高度角相关。上述获取信噪比估计值SNR的方法可以是已知的获取手段中的任意一种。
在步骤第二计算模块3中，由前述可知信噪比估计值SNR与卫星高度角相关，第一短时方差z1与卫星高度角相关，利用这一特点，可以以第一短时方差z1制作检测模型。
在步骤设置模块4以及检测模块5中，利用GNSS多径信号对接收机信噪比估计值SNR的影响，建立了基于信噪比估计值SNR的第一短时方差z1的统计检验量，通过第一短时方差z1与预设门限值T对比，能够发现干扰信号的存在，以实现对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测。算法利用了物理信道环境的唯一性设计检验方法，使用信噪比估计值作为观测量，数据获取难度低，可用于易受欺骗攻击的单天线单频点静态类型通用接收机使用。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测装置，本申请还提出了第七实施例其中，所述第一计算模块2，具体包括：
获取单元，用于获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
叠加单元，用于对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
积分单元，用于生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
统计单元，用于对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
在本实施例中：
GNSS直射信号为：Si(t)＝AiCi(t-τi)cos(2πfit-φi)//(3)
GNSS多径信号为：
接收机接收到的GNSS信号为：
在稳定跟踪阶段，本地复制波形为：
ri＝Ci(t-τi-δτi)cos[2π(fi+δfi)+φi+δφi]//(6)
将本地复制波形与接收到的GNSS信号进行相干积分，获得积分结果yi：
通过相干积分结果估计该第i颗卫星的信噪比，有
结合式(7)和式(8)获取所述信噪比估计值SNR：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、Ci为测距码、τi为测距码延迟、fi为多普勒频移、φi为载波相位初始值、为GNSS多径信号的第二信号幅、/>为多径传播延迟、/>为设多径相位改变量、δτi为码相位跟踪误差、δfi为多普勒频率跟踪误差、δφi为载波相位跟踪误差、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、ni为观测噪声、/>为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测装置，本申请还提出了第八实施例其中，所述基于多路径信号的欺骗检测装置，还包括：
获取模块，用于获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测装置，本申请还提出了第九实施例其中，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
针对上述基于多路径信号的欺骗检测装置，本申请还提出了第十实施例其中，所述第二计算模块，包括：
计算单元，用于根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
基于如上所述的实施例，通过单天线单频点静态类型通用接收机为例进行举例说明。
对于第i颗卫星的欺骗信号波形可表示为：
其中，为欺骗信号幅度，Δτi、Δfi、Δφi分别是欺骗信号与真实信号之间的延迟差、多普勒频移差及载波相位差。
相应的，接收到的真实信号波形可表示为：
Si(t)＝AiCi(t-τi)cos(2πfit-φi)//(3)
为攻击一个处于正常定位工作状态下的接收机，其内部跟踪环路均锁定至真实卫星信号上，因此欺骗方需要首先破坏原有接收机的环路跟踪状态。欺骗注入方式大体可分为压制式注入或诱导式注入两种，所采用的欺骗信号功率具有较大的区别。
压制式注入方式采用较强的压制干扰信号使得接收机失锁，破坏原有环路的跟踪状态，并在压制干扰撤销后，播发功率较强的欺骗信号，使得接收机捕获到欺骗信号。此时欺骗信号幅度远大于真实信号，欺骗信号与真实信号的码相位延迟差可超过1码片，即不具有相关性，真实信号可被认为是噪声，即接收信号为
其中ni表示观测噪声。
诱导式注入方式采用功率低于真实信号的欺骗信号注入跟踪环路，且欺骗信号使用与真实信号相同的载波相位与测距码相位，即Δτi和Δfi近似为0。当欺骗信号注入跟踪环路后，逐步增大欺骗功率，使其略高于真实信号，并缓慢改变Δτi和Δfi，使得接收机环路锁定状态逐渐偏移真实信号。当Δτi超过测距码环路牵引范围后，接收机将完全锁定至欺骗信号。诱导式注入方式需要获取目标接收机的精确位置速度信息，在注入过程中不会引起环路失锁，因此在注入过程中接收机可同时观测到欺骗信号与真实信号，即接收信号为
如图3所示的多径接收模型中，接收机垂直安置在水平地表，接收机天线相位中心距离地面的高度为H。当环境中无欺骗信号时，接收机可收到两路信号，分别是直射路径信号和地面反射路径信号，即GNSS直射信号和GNSS多径信号，其中GNSS多径信号波形为
其中为GNSS多径信号的第二信号幅度、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为多径相位改变量。
接收机收到的信号是GNSS直射信号和GNSS多径信号的叠加，有
反射路径的相位延迟由传播路径决定。由于GNSS卫星轨道较高，例如GPS采用中圆轨道星座，北斗卫星导航系统采用同步轨道与中圆轨道混合的星座，因此地面接收到的GNSS信号可视为平面波，即地面反射路径的入射角与卫星高度角θ近似相等。因此有
其中c为光速，λ为GNSS信号波长。地面反射信号的幅度由反射系数和天线增益决定，即
其中αr表示地面对GNSS信号的反射系数、Ga(θ)为卫星角度对应的天线增益，在实际系统中，GNSS天线在不同到达角处的增益存在差异。GNSS信号采用右旋圆极化，经地面反射后其极化属性变为左旋圆极化，有
其中ε为地面的介电常数。
接收机跟踪环路产生与入射信号同频同相的本地复制波形，并与接收信号进行相干积分，实现对GNSS信号的解扩频处理。在稳定跟踪阶段，本地复制波形可表示为
ri＝ci(t-τi-δτi)cos[2π(fi+δfi)t+φi+δφi]//(6)
其中δτi为码相位跟踪误差、δfi为多普勒频率跟踪误差、δφi为载波相位跟踪误差。因此相干积分结果可表示为
ni为观测噪声、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数接收机使用相干积分结果估计第i颗卫星的信噪比，有
通过相干积分结果估计该第i颗卫星的信噪比，有
其中表示噪声通道的积分结果。将式(12)、(7)带入式(8)可知，接收机的信噪比估计值与卫星仰角θ相关。
当接收机处于单一欺骗源设备的欺骗攻击场景，欺骗信号的传播路径也包含直射路径与地面反射路径，且地面反射路径的传播时延等参数受到实际环境几何构型的约束，很难在欺骗源端进行控制，因此可作为欺骗信号检测的依据。因此，可以利用欺骗信号多路径传输对接收端信噪比的影响，实现欺骗检测。
在有欺骗信号存在的场景下，欺骗信号的传播路径如图4所示。欺骗源位于距离接收机天线距离为L的高点，发射天线与地面的距离为h，欺骗信号直射路径的仰角记为θ(sp)，地面反射路径入射角记为根据几何关系，可知
地面反射路径的传播延迟及相位误差为
其中，为欺骗信号多径传播延迟，/>为欺骗多径相位改变量。
在真实情况下，导航卫星沿轨道运动，使得卫星与接收机之间保持有相对运动。为产生与真实场景一致的欺骗信号，欺骗源端需要不断改变欺骗信号的码相位延迟差Δτi，使得其满足卫星轨道约束。因此，欺骗信号的地面反射路径到达接收端天线时，欺骗信号的码相位延迟可表示为
对比式(13)和式(18)可知，真实信号的地面反射路径码相位延迟与欺骗信号具有明显的差异。如图5所示，真实信号的多径延迟量随着卫星高度角改变，而欺骗信号由于地面反射路径未改变，其多径延迟保持恒定。卫星高度角与多径延迟量的关系如图5所示。
但由于常规接收机难直接获取多径延迟量，可利用高度角与信噪比的对应关系，构建统计检验模型，利用接收信号的信噪比估计值的第一短时方差z1作为观测量，实现对欺骗信号的检测。如图6所示，真实卫星信号的地面反射路径延迟导致反射信号的码相位和载波相位出现偏移，在接收机天线处与直射信号混合后，使得接收信号的幅度增益出现明显波动，在低仰角区域接收信号增益的波动幅度可达3.5dB以上。
利用上述原理构建二元假设检验问题H0和H1，有
H0：接收端无欺骗信号，接收信号的信噪比可结合式(7)和式(8)获取，即
H1：接收端有欺骗信号，将式(7)代入式(8)可得接收信号的信噪比。
在实际情况下，无法获取信号传播环境的几何结构，因此τ(nlos)、φ(nlos)、τ(sp-n)、φ(sp-n)是未知量。利用真实信号幅度增益的波动性构建统计检测量，取信噪比估计值的短时方差，有
其中，M为检测窗口的长度。
当H1成立时，接收信号的信噪比真实值为常数，其信噪比估计值仅受观测噪声的影响，短时方差z服从中心卡方分布。设置门限T，例如，当卫星仰角为40°，SNR＝30dBHz，T的典型值设置为1.69，当z<T时，认为H1成立，即接收端存在欺骗现象。因此可得检测概率的计算公式
其中fsp(z|H1)为欺骗场景下z的概率密度函数。
仿真验证
参照图7，使用仿真验证所提算法的性能，仿真设置如下：接收机采用静态模型，处于开阔环境(符合地基增强站、授时接收机等典型静态接收机的应用场景)，主要反射信号来源为地面反射信号；所选用的卫星运动轨迹天顶视图如图7(卫星轨迹)所示，轨迹经过接收机正上方，高度角覆盖[0,90°]范围；图7(天线增益)为仿真中所使用的接收天线增益模型，天顶处增益最大，按归一化处理设为0dB，零角度处(水平入射)的增益约为-10dB，负90°角处增益最小，约为-20dB，与实际扼流圈天线的增益特性一致。
参照图8，在压制式注入攻击模式下，欺骗信号的功率远高于真实信号，抬高接收机天线处的噪底，使得真实信号淹没于噪声中，接收机仅能收到欺骗信号。接收机在有欺骗和无欺骗场景下的载噪比估计值如图8所示，包含30分钟数据，卫星的高度角由23°增加至34°。(注：为方便理解，仿真验证部分的图中均使用载噪比(CNR)代替信噪比(SNR))。
在诱导式注入攻击模式下，欺骗信号的功率略高于真实信号。在欺骗注入过程中，欺骗信号的码相位与真实信号的码相位之差小于1个码片，接收机可同时收到欺骗信号和真实信号；在欺骗注入完成后，由于跟踪环路完全锁定至欺骗信号，且欺骗信号与真实信号的码相位之差通常大于1个码片，因此接收机仅能收到欺骗信号，真实信号的码相位处于环路牵引范围之外，无法对环路状态造成影响，因此这种情况下的欺骗检测性能与压制式注入攻击场景等效。
参照图9，在诱导式注入过程中，接收机在有欺骗和无欺骗场景下的载噪比估计值如图9所示。在有欺骗场景下，由于接收机可同时收到欺骗信号与真实信号，因此载噪比估计值也存在波动现象，这是由接收信号中的真实信号分量导致的。但由于在诱导式注入过程中，接收机环路的码相位锁定点被欺骗信号拉偏，与真实信号存在一定的码相位差，因此真实信号分量的相干积分结果存在较大的衰减，使得多径环境下载噪比估计值的波动幅度较小。
参照图10，图10显示了在载噪比为40dB-Hz条件下检测统计量z与高度角的关系。由图中可知，压制式注入模式下，z的测量值在零点上下波动，与本申请前述分析结论一致；在诱导式注入过程中，z的测量值偏离零点，但仍与真实信号的统计量取值区间有较大区别，因此判决阈值的选取会对该场景下的检测概率造成较大影响，但在诱导式注入完成后，仍可取得与压制式注入场景类似的检测性能。无欺骗场景下，z的测量值与卫星高度角有关，在本仿真时延所选取的反射路径几何构型条件下，当卫星高度角约为55°时，z的测量值接近零，此时检测性能会显著下降；而当高度角处于其他大部分区间内，z的测量值均明显高于0，可保证获得较好的检测性能。
参照图11，图11给出了在不同载噪比环境以及不同高度角条件下，针对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测概率。选取了三个不同的高度角，分别是40°、46°和53°。结合前文分析可知，当高度角从40°增加到46°时，由于真实信号的地面反射路径增益降低，使得真实信号的信噪比估计值方差波动幅度下降，达到相同检测概率的信噪比门限明显提高，当高度角为40°时，在26dB-Hz处即能达到90％以上的检测概率，而当高度角增加到53°时，90％检测概率所需的载噪比门限提高至37dB-Hz以上。另外，从图中可知，为达到相同的检测概率，针对压制式注入的信噪比门限通常比诱导式注入低1-2dB。在强信号环境下，即载噪比超过40dB-Hz时，在大部分仰角范围内针对两种欺骗攻击的检测概率均可达到90％以上。
参照图12，检测时间是欺骗算法检测性能的一个重要指标，如式(17)所示，本申请所提算法的检测时间由信噪比检测窗口长度M决定。图12给出了检测时间对不同信噪比环境下欺骗检测概率的影响，仿真中使用的卫星仰角为40°，SNR输出频率为1Hz，检测时间在10s至60s等间距取值。由图中可见，增加检测窗口长度，可提高相同信噪比条件下的检测概率。当检测窗口为10s时，在45dB-Hz的典型强信号环境下，对欺骗信号的检测概率仅为50％；而当检测窗口增加至30s时，在35dB-Hz的环境下即可实现90％以上的检测概率。增加检测窗口的长度对检测性能的提升存在一个极限，对比检测窗口为50s和60s的两条曲线可发现，当检测窗口增加10s，相同信噪比条件下的检测概率几乎未发生改变。
综上所述，本发明提出的基于多路径信号的欺骗检测方法和装置，利用地面反射路径对接收机信噪比估计值的影响，建立了基于第一短时方差z1的统计检验量，以实现对压制式注入攻击和诱导式注入攻击的检测。算法利用了物理信道环境的唯一性设计检验方法，使用第一短时方差z1作为观测量数据获取难度低，可用于易受欺骗攻击的单天线单频点静态类型通用接收机使用。仿真结果表明，该算法在大部分卫星仰角范围内针对两种欺骗注入攻击方式均具有较好的检测性能。在强信号环境下，即接收信号载噪比不低于40dBHz时，该方法对两种欺骗注入攻击的检测概率可达90％以上。基于如上所述的本申请实施例的方法，可以高效、可靠的识别卫星导航信号欺骗干扰的存在。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多路径信号的欺骗检测方法，其特征在于，包括步骤：
接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
2.根据权利要求1所述的基于多路径信号的欺骗检测方法，其特征在于，所述获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的信噪比估计值SNR的步骤，具体包括：
获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
3.根据权利要求2所述的基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，在所述获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形的步骤之前，还包括步骤：
获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
4.根据权利要求1或2所述的基于多路径信号的欺骗检测方法，其特征在于，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
5.根据权利要求1所述的基于多路径信号的欺骗检测方法，其特征在于，所述根据所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角与接收机的第一短时方差z1的对应关系的步骤，具体包括：
根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
6.一种基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收并稳定跟踪第i颗卫星至少一个运动轨迹周期内该卫星在各高度角对应的GNSS直射信号和GNSS多径信号；
第一计算模块，用于获取接收机接收所述GNSS直射信号和所述GNSS多径信号时的多个信噪比估计值SNR；
第二计算模块，用于根据多个所述信噪比估计值SNR形成该卫星的各高度角对应的接收机的第一短时方差z1；
设置模块，用于根据所述第一短时方差z1，设置对应的预设门限值T；
检测模块，用于在接收该卫星信号时，观测所述接收机接收卫星GNSS信号时的第二短时方差z2，当z2<T时，判定所述接收机接收的信号中存在欺骗信号。
7.根据权利要求6所述的基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，所述第一计算模块，具体包括：
获取单元，用于获取GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形；
叠加单元，用于对所述GNSS直射信号波形、GNSS多径信号波形进行叠加处理，获得接收机实际接收的GNSS信号波形；
积分单元，用于生成本地复制波形与所述GNSS信号波形进行相干积分，获得积分结果；
统计单元，用于对所述积分结果进行统计处理，获得信噪比估计值SNR。
8.根据权利要求7所述的基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，所述基于多路径信号的欺骗检测装置，还包括：
获取模块，用于获取所述GNSS直射信号的第一信号幅度Ai、测距码Ci、测距码延迟τi、多普勒频移fi和载波相位初始值φi、所述GNSS多径信号的第二信号幅度所述卫星的高度角θ、卫星角度对应的天线增益Ga(θ)、接收机噪声通道的积分结果/>码相位跟踪误差δτi、多普勒频率跟踪误差δfi和载波相位跟踪误差δφi、地面对GNSS多径信号的反射系数αr。
9.根据权利要求6或7所述的基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，所述信噪比估计值SNR为：
其中，Ai为GNSS直射信号的第一信号幅度、αr为地面对GNSS信号的反射系数、Ga为天线增益、τ(nlos)为多径传播延迟，φ(nlos)为设多径相位改变量、为接收机噪声通道的积分结果、R(x)为GNSS测距码的自相关函数。
10.根据权利要求6所述的基于多路径信号的欺骗检测装置，其特征在于，所述第二计算模块，包括：
计算单元，用于根据所述信噪比估计值SNR计算短时方差，得到所述第一短时方差z1：
其中，M为检测窗口的时间长度。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112285746A (zh) | 2021-01-29 |
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