CN112946694A - 基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法及系统，包括：步骤1：在无欺骗信号时，获取正常卫星信号的离散概率密度分布函数；步骤2：获取测试卫星信号的概率密度分布函数；步骤3：设置正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；步骤4：设置检验门限值；步骤5：比较检验统计量计算结果与门限值的大小，若超过门限值，则判定存在欺骗信号。本发明检测方法能充分利用接收机ADC量化获得的数字中频信号近似服从正态分布模型的特点，不依赖于额外硬件，成本低。

Description

基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法及系统

技术领域

本发明涉及GNSS技术领域，具体地，涉及一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法及系统。

背景技术

卫星导航信号的脆弱性使其深受各种干扰的影响，2001年美国交通部就评估了基础交通设施中利用GPS带来的脆弱性，除此之外，通信行业、金融系统同样依赖GPS的精确授时服务，这也带来了重大的安全隐患。针对卫星导航接收机的欺骗干扰，作为一种新型的干扰形式，带来的安全隐患比传统压制干扰更严重。鉴于此，进行欺骗干扰检测提升导航系统可用性、可信度具有重大意义。

1.GNSS信号欺骗技术综述

欺骗干扰技术的原理是通过针对目标接收机发射欺骗信号，干扰接收机对真实导航信号的正确接收，从而使得目标接收机无法正常工作或无法工作以达到“欺骗”的目的。根据欺骗干扰信号的产生方式，可以分为转发式欺骗干扰和生成式欺骗干扰，以及同时利用了这两种方式的重构式欺骗干扰。

转发式欺骗干扰是指欺骗者首先通过接收设备接收到真实的卫星导航信号，经过适当的时延和功率放大后，再将处理后的导航信号转发给目标接收机，接收机在接收到延时后的GPS信号之后便会解算出错误的伪距，从而导致定位错位。其中如何对时延进行准确控制是转发式欺骗干扰技术中的关键技术。转发式欺骗的特点就是欺骗过程简单，不需要改变卫星信号所传输的导航信息，所需干扰设备也比较简单。但转发式欺骗干扰强烈依赖于原有的真实信号，欺骗效果也与当前卫星的星座、转发设备位置、接收机位置有关，因此也比较容易被接收机检测到。

生成式欺骗干扰则利用真实的卫星信号产生伪造的导航欺骗信号再发射出去，这正是基于导航民用信号都是公开透明的特点，因此生成式欺骗干扰可以直接复制射频载波、C/A码和导航数据比特，通过改变这些参数的值，使欺骗信号和真实信号相似但却存在差异，因此目标接收机实际上捕获跟踪到的是欺骗信号，从而解算出错误的导航定位结果。生成式干扰产生的欺骗信号比转发式欺骗干扰的自由度更高，当然要求的硬件设备也更加复杂。

重构式欺骗干扰集合了转发式欺骗和生成式欺骗的优点，该方法实时接收解析当前卫星导航信号，获得当前卫星导航信号的电文、系统时间和测量位居。然后根据对被干扰接收机和干扰源相对位置的估计，重构每颗卫星欺骗信号的码相位、载波频率、电文等信息并发送给被干扰接收机，可以控制被欺骗接收机的位置、速度和时间，并能够对捕获阶段和跟踪阶段的接收机均实施高成功率欺骗干扰。

2.欺骗检测技术综述

抗欺骗技术(anti-spoofing)可以从信号层、数据层、信息层等不同层级进行检测校验。

(1)数据层

数据层的检验技术主要是信号加密认证技术。早期的研究多从数据加密、完好性检验等角度进行反欺骗。信号加密认证技术又分为三大类：导航电文加密技术、扩频码加密技术和无码互相关技术。导航电文加密技术顾名思义就是对导航电文进行加密，主要采用数字签名技术；扩频码加密技术类似于P(Y)码加密原理，即在GPS的C/A码上调制一个加密的安全码；无码相关技术利用的是原有信号体制同一频点上军码和民码正交关系，如果欺骗信号只针对民码实施攻击，就会破坏这种正交关系，也就为欺骗信号检测提供了前提条件。

(2)信号层

信号层的检测是从真实信号和欺骗信号的信号差异性入手研究抗欺骗术。信号层面的检测又可以分为：绝对功率监测，信号功率变化率监测，相对功率监测，L1、L2互相关检测，残留信号分析等。前三种监测方式主要是利用欺骗信号与真实卫星信号的功率差异、载噪比差异以及在传播过程中的功率衰减差异来进行欺骗信号检测；L1/L2互相关基本原理就是利用GPS的L1频点和L2频点调制的相同的P(Y)码，在剥离载波后，将两频点的P(Y)码进行互相关，通过检测是否产生相关峰来判断是否存在欺骗干扰；残留信号分析则是通过检测捕获阶段的载波多普勒-伪码相位二维搜索是否存在两个相关峰，判决是否存在欺骗干扰。

(3)信息层

信息层的检测主要包括接收机自主完好性检测技术(RAIM)、多普勒频移检测、惯性测量单元辅助欺骗检测技术等。RAIM的基本原理即通过选取接收到的5颗卫星信号中任意4颗解算接收机当前位置，通过比较5次的解算结果，若存在很大差异，说明存在欺骗干扰。但这种方法只能说明干扰的存在，而不能确定欺骗信号，只有添加额外的第六颗卫星信号，但要保证添加的卫星信号是真实的，才能确定欺骗信号。

由于卫星与北斗接收机的相对运动，产生了多普勒频移。对于静态的接收机，如果接收机的时钟是稳定的，则可以假定多普勒频移量是线性变化的，并基于线性变化的标准根据历史数据定义的多普勒频移量，设定出多普勒频移量变化的阈值。如果接收机接收到的多普勒频移量超出了事先设定的统计计算阈值，那么接收机就可以将接收到的信号视为欺骗式干扰信号。

在用户接收机遭到欺骗攻击的情况下，惯性/磁性传感器、计程仪、高精度时钟等设备提供的辅助信息可以为欺骗检测提供很好的帮助。惯性模块能够不依赖外界信息自主导航(抗干扰能力强)，高精度时钟在一段时间内时间保持高稳定度，一旦接收机遭到欺骗攻击，这些辅助设备输出的信息与接收机本身输出的信息会有明显偏差，检测出这种异常将能够有效识别欺骗干扰的存在。

专利文献CN107290758A(申请号：201710299689.6)公开了一种GNSS干扰信号多级辨识检测系统，包括射频前端模块、一级检测器、捕获处理模块、二级检测器、多通道跟踪处理模块、三级检测器、干扰判定模块及定位解算模块，一级检测器、二级检测器和三级检测器的输出端均连接至干扰判定模块。进一步还公开一种GNSS干扰信号多级辨识检测方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法及系统。

根据本发明提供的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，包括：

步骤1：在无欺骗信号时，获取正常卫星信号的离散概率密度分布函数；

步骤2：获取测试卫星信号的概率密度分布函数；

步骤3：设置正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；

步骤4：设置检验门限值；

步骤5：比较检验统计量计算结果与门限值的大小，若超过门限值，则判定存在欺骗信号。

优选的，所述步骤1包括：当无任何欺骗信号时，把接收机上采样得到的ADC值用k个bin箱进行量化，得到统计向量E＝{E₁,E₂,…,E_k}，E_i代表在每个bin箱里的正常卫星信号ADC值的数量。

优选的，所述步骤2包括：统计测试卫星信号的概率密度分布函数，得到统计向量O＝{O₁,O₂,…,O_k}，O_i代表在每个bin箱里的测试卫星信号ADC值的数量。

优选的，所述步骤3包括：将数字中频信号看作随机过程，数学表达式为：

x[n]＝s[n]+v·j[n]# (1)

其中，s[n]是正常卫星信号，j[n]是欺骗干扰信号，x[n]是接收机收到的合成信号

采用拟合优度法，找出正常卫星信号正太分布模型与异常分布模型的观测值差异，检验统计量为：

其中，O_i是被检测的信号分布值，E_i是无干扰情况下的参考分布值，T是假设检验计算值。

优选的，所述步骤4包括：T服从自由度为k-1的卡方分布，通过置信区间值α与自由度查表得到检验门限值D_th，表达式为：

T～χ²(k-1)# (4)

其中，f(t)为T的概率密度分布函数；

比较检验统计量计算结果T与门限值D_th的大小，若T>D_th，则假设H₁成立，判定存在欺骗信号；若T≤D_th，则假设H₀成立，判定无欺骗信号。

根据本发明提供的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，包括：

模块M1：在无欺骗信号时，获取正常卫星信号的离散概率密度分布函数；

模块M2：获取测试卫星信号的概率密度分布函数；

模块M3：设置正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；

模块M4：设置检验门限值；

模块M5：比较检验统计量计算结果与门限值的大小，若超过门限值，则判定存在欺骗信号。

优选的，所述模块M1包括：当无任何欺骗信号时，把接收机上采样得到的ADC值用k个bin箱进行量化，得到统计向量E＝{E₁,E₂,…,E_k}，E_i代表在每个bin箱里的正常卫星信号ADC值的数量。

优选的，所述模块M2包括：统计测试卫星信号的概率密度分布函数，得到统计向量O＝{O₁,O₂,…,O_k}，O_i代表在每个bin箱里的测试卫星信号ADC值的数量。

优选的，所述模块M3包括：将数字中频信号看作随机过程，数学表达式为：

x[n]＝s[n]+v·j[n]# (1)

其中，s[n]是正常卫星信号，j[n]是欺骗干扰信号，x[n]是接收机收到的合成信号

采用拟合优度法，找出正常卫星信号正太分布模型与异常分布模型的观测值差异，检验统计量为：

其中，O_i是被检测的信号分布值，E_i是无干扰情况下的参考分布值，T是假设检验计算值。

优选的，所述模块M4包括：T服从自由度为k-1的卡方分布，通过置信区间值α与自由度查表得到检验门限值D_th，表达式为：

T～χ²(k-1)# (4)

其中，f(t)为T的概率密度分布函数；

比较检验统计量计算结果T与门限值D_th的大小，若T>D_th，则假设H₁成立，判定存在欺骗信号；若T≤D_th，则假设H₀成立，判定无欺骗信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明检测方法能充分利用接收机ADC量化获得的数字中频信号近似服从正态分布模型的特点，不依赖于额外硬件，成本低；

2、本发明方法利用拟合优度检验，技术复杂度低；

3、本发明方法对比于传统方法，该方法成本低、算法简单、结合多种因素，识别准确度和效率相对提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

根据本发明提供了一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测算法。欺骗信号为了能够对被攻击接收机施加影响，其信号功率必须要高于真实卫星信号功率，因此可以在中频时域数据域设计抗欺骗算法。接收机接收到信号总功率的增加会引起射频电路模块AGC增益的变化和ADC量化分布的变化，可以使用假设分布检验的方法探测欺骗信号。当无任何欺骗信号时，接收机ADC量化获得的数字中频信号近似服从正态分布模型；当存在欺骗信号时，由于欺骗信号功率必须高于真实信号环境，因此势必会引起数字中频信号分布状态偏离正态分布。可以采用拟合优度法，找出正态分布模型与异常分布模型的观测值差异。通过检验模型计算结果和预设阈值比较，如果结果大于预设阈值，则可判定存在干扰信号。

如图1，具体包括如下步骤：

步骤1：无欺骗信号时，统计真实卫星信号的离散概率密度分布函数；

当无任何欺骗信号时，接收机ADC量化获得的数字中频信号近似服从正态分布模型。首先统计无干扰存在时的真实卫星信号的离散概率密度分布函数，即把接收机上采样得到的ADC值用k个bin箱进行量化，得到统计向量E＝{E₁,E₂,…,E_k}，E_i代表在每个bin箱里的真实卫星信号ADC值的数量；

步骤2：统计测试的卫星信号样本数据的概率密度分布函数；

当存在欺骗信号时，由于欺骗信号功率必须高于真实信号环境，会引起数字中频信号分布状态偏离正态分布。因此，需要统计测试的卫星信号样本数据的概率密度分布函数，得到统计向量O＝{O₁,O₂,…,O_k}，O_i代表在每个bin箱里的测试卫星信号ADC值的数量。

步骤3：设计正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；

可以将数字中频信号看作一个随机过程，数学表达式可写为：

x[n]＝s[n]+v·j[n]# (1)

其中s[n]是真实卫星导航信号，j[n]是欺骗干扰信号，x[n]是接收机收到的合成信号。我们可以做假设检验：

采用拟合优度法，找出真实卫星信号正太分布模型与异常分布模型的观测值差异，检验统计量为：

其中O_i是被检测的信号分布值，E_i是无干扰情况下的参考分布值，T是假设检验计算值。

步骤4：设计检验门限值；

T服从自由度为k-1的卡方分布，通过置信区间值α与自由度可以查表得到检验门限值D_th，即：

T～χ²(k-1)# (4)

其中，f(t)为T的概率密度分布函数。

步骤5：比较检验统计量计算结果T与门限值D_th的大小，若T>D_th，则假设H1成立，判定存在欺骗信号；若T≤D_th，则假设H0成立，判定无欺骗信号。

实验结果：

本次实验利用信号模拟器生成不同功率(-140dBm～-80dBm)的欺骗信号，并与真实卫星信号进行混合。对混合信号的统计向量与真实信号的统计向量进行拟合优度检验，通过比较检验统计量T与门限值D_th的大小判断是否存在干扰信号，实验结果如下：

从上表可以看出，在高功率欺骗场景(欺骗信号功率>-120dBm)该检测方法可以有效识别出欺骗信号的存在；但是在低功率欺骗场景(欺骗信号功率≤-120dBm)下，该方法检测性能下降，不能有效检测出欺骗信号的存在。综上所述，一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测算法具有成本低、实现复杂度低和高功率欺骗场景下检测效率高等诸多优点，但也存在一定的局限性，不能有效检测出低功率欺骗信号。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：在无欺骗信号时，获取正常卫星信号的离散概率密度分布函数；

步骤2：获取测试卫星信号的概率密度分布函数；

步骤3：设置正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；

步骤4：设置检验门限值；

步骤5：比较检验统计量计算结果与门限值的大小，若超过门限值，则判定存在欺骗信号。

2.根据权利要求1所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，其特征在于，所述步骤1包括：当无任何欺骗信号时，把接收机上采样得到的ADC值用k个bin箱进行量化，得到统计向量E＝{E₁,E₂,…,E_k}，E_i代表在每个bin箱里的正常卫星信号ADC值的数量。

3.根据权利要求2所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，其特征在于，所述步骤2包括：统计测试卫星信号的概率密度分布函数，得到统计向量O＝{O₁,O₂,…,O_k}，O_i代表在每个bin箱里的测试卫星信号ADC值的数量。

4.根据权利要求3所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，其特征在于，所述步骤3包括：将数字中频信号看作随机过程，数学表达式为：

x[n]＝s[n]+v·j[n]#(1)

其中，s[n]是正常卫星信号，j[n]是欺骗干扰信号，x[n]是接收机收到的合成信号；

采用拟合优度法，找出正常卫星信号正太分布模型与异常分布模型的观测值差异，检验统计量为：

其中，O_i是被检测的信号分布值，E_i是无干扰情况下的参考分布值，T是假设检验计算值。

5.根据权利要求1所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测方法，其特征在于，所述步骤4包括：T服从自由度为k-1的卡方分布，通过置信区间值α与自由度查表得到检验门限值D_th，表达式为：

T～χ²(k-1)#(4)

其中，f(t)为T的概率密度分布函数；

比较检验统计量计算结果T与门限值D_th的大小，若T>D_th，则假设H₁成立，判定存在欺骗信号；若T≤D_th，则假设H₀成立，判定无欺骗信号。

6.一种基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，其特征在于，包括：

模块M1：在无欺骗信号时，获取正常卫星信号的离散概率密度分布函数；

模块M2：获取测试卫星信号的概率密度分布函数；

模块M3：设置正常卫星信号与测试卫星信号的检验统计量；

模块M4：设置检验门限值；

模块M5：比较检验统计量计算结果与门限值的大小，若超过门限值，则判定存在欺骗信号。

7.根据权利要求6所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，其特征在于，所述模块M1包括：当无任何欺骗信号时，把接收机上采样得到的ADC值用k个bin箱进行量化，得到统计向量E＝{E₁,E₂,…,E_k}，E_i代表在每个bin箱里的正常卫星信号ADC值的数量。

8.根据权利要求7所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，其特征在于，所述模块M2包括：统计测试卫星信号的概率密度分布函数，得到统计向量O＝{O₁,O₂,…,O_k}，O_i代表在每个bin箱里的测试卫星信号ADC值的数量。

9.根据权利要求8所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，其特征在于，所述模块M3包括：将数字中频信号看作随机过程，数学表达式为：

x[n]＝s[n]+v·j[n]#(1)

其中，s[n]是正常卫星信号，j[n]是欺骗干扰信号，x[n]是接收机收到的合成信号

采用拟合优度法，找出正常卫星信号正太分布模型与异常分布模型的观测值差异，检验统计量为：

其中，O_i是被检测的信号分布值，E_i是无干扰情况下的参考分布值，T是假设检验计算值。

10.根据权利要求9所述的基于分布拟合优度的卫星导航欺骗信号检测系统，其特征在于，所述模块M4包括：T服从自由度为k-1的卡方分布，通过置信区间值α与自由度查表得到检验门限值D_th，表达式为：

T～χ²(k-1)#(4)

其中，f(t)为T的概率密度分布函数；

比较检验统计量计算结果T与门限值D_th的大小，若T>D_th，则假设H₁成立，判定存在欺骗信号；若T≤D_th，则假设H₀成立，判定无欺骗信号。

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