CN113985448A - 一种基于车辆cacc系统的gps欺骗检测方法 - Google Patents

一种基于车辆cacc系统的gps欺骗检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，首先获取车队中每辆车的GPS信号信息并相互交换信息，记录车辆之间的初始距离；每辆车通过雷达测量距离，同时计算GPS接收机间的距离；通过比较雷达测量的真实距离和车辆GPS位置信号间的距离，判断车辆是否存在GPS欺骗；若判断为存在欺骗攻击，对GPS欺骗信号进行追踪和消除。本方法不仅可以检测GPS欺骗信号，可以在检测到GPS欺骗攻击后，跟踪并消除欺骗信号，可靠性强。

Description

一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法
技术领域
本发明属于车辆驾驶安全技术领域，具体涉及一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，用于检测和消除车辆驾驶过程中的GPS欺骗攻击。
背景技术
全球定位系统(GPS)早已成为各种运输系统的关键导航系统，在现代社会至关重要。目前，主要有两种攻击针对GPS接收机：干扰攻击和欺骗攻击。其中GPS欺骗攻击是指外界为了欺骗GPS接收机而产生和发送假信号的过程。攻击者可以强迫接收方相信它位于与实际情况不同的位置，欺骗攻击可以接收方偏离路线。打击欺骗行为的第一步是检测欺骗信号，这在过去十年中得到了相当大的关注。目前提出了许多方法来检测GPS欺骗。一种用来阻止GPS欺骗的方法是利用密码学，另一种欺骗检测方法是SPREE，最后GPS欺骗检测的另一个选择是使用多个天线，当一个信号受到欺骗时可以调用其他的天线。虽然有这几种可用于检测欺骗的方法，但它们都往往需要硬件升级或对遗留GPS系统进行修改，这限制了它们在商业GPS导航接收机中的广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，针对现有技术的不足，提出了一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，在协同自适应巡航系统控制下，通过对比车辆雷达距离和车辆GPS位置信号距离来检测GPS欺骗是否发生，并利用GPS接收器的跟踪回路消除GPS欺骗信号。
本发明采用以下技术方案：
一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，首先获取车队中前后两车的GPS位置信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离；下一时刻通过雷达测量两车之间距离，同时更新车辆GPS位置信息，计算前车与后车GPS接收机间的距离；通过比较两车雷达测量的真实距离和GPS位置信号间的距离，判断领头的前车是否存在GPS欺骗；若判断为存在欺骗攻击，则对GPS欺骗信号进行追踪和消除。
具体的，包括以下步骤：
S1、获取车队中前后两车的GPS信号信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离，时间戳T＝0；
S2、在车辆CACC系统控制的行驶过程中，刷新前后两车GPS信号，记录GPS位置信息并计算两车GPS接收点之间的距离，储存为GPSsite_D，同时通过雷达测量两车之间的真实距离，并储存为Radarsite_D；
S3、计算GPS位置距离和雷达测量距离的偏差，并设定欺骗检测阈值，比较GPS距离和雷达距离的偏差和根据偏差设定的欺骗检测阈值，依据差值不同分别执行步骤S4或S5；
S4、执行此步骤则表示领头车辆没有受到GPS欺骗攻击，则可信任此GPS位置信息，返回到步骤S2；
S5、执行此步骤则表示领头车辆可能受到GPS欺骗攻击,累积5次检测到欺骗攻击则提醒驾驶员可能存在GPS欺骗攻击，并跟踪欺骗信号，进入欺骗信号消除程序。
进一步的，步骤S3具体包括以下步骤：
S3-1、计算GPS位置距离和和雷达测量距离之间的时间戳差值Δt＝Tg-Tr，其中Tg为GPS距离时间戳，Tr为雷达距离时间戳；
S3-2、GPS位置距离与雷达距离的偏差Δd计算如下：
Δd＝|GPSsite_DTg-Radarsite_DTp|，
其中GPSsite_DTg为Tg时刻GPS距离，Radarsite_DTp为Tr时刻雷达距离；
S3-3、欺骗检测阈值Ec计算如下：
Eh＝σureHDOP,
Figure BDA0003262668680000021
其中，HDOP是将接收机到卫星沿视线方向的距离误差映射为水平平面距离误差的映射函数，σure是用户距离误差，
Figure BDA0003262668680000022
为雷达距离测量方差。
进一步的，当步骤S3-1中GPS位置距离的时间戳和雷达测量距离的时间戳差值Δt＝0，表明两个位置信息时间同步，执行步骤S3-2；
当GPS距离的时间戳和雷达距离的时间戳差值不为0时，表明两个位置信息时间不同步，可能存在GPS欺骗，跳转到步骤S5。
进一步的，步骤S3-3中，当GPS位置距离和雷达测量距离的偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差在误差范围内，可认为车辆没有受到GPS欺骗攻击，执行步骤2；
当GPS位置距离和雷达测量距离偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差超出了误差范围，可能存在GPS欺骗，执行步骤5。
进一步地，步骤5具体包括以下步骤：
S5-1、跟踪分析GPS欺骗信号并计算欺骗信号参数；
S5-2、仿照欺骗产生器的公式生成一个欺骗信号的复制信号
Figure BDA0003262668680000023
S5-3、在GPS接收机的中频(IF)电平中减去生成的复制信号；
S5-4、搜索产生的已清理信号，从而能寻找真实的全球定位系统信号；
S5-5、在恢复了真实信号之后进行GPS位置信号采集和跟踪。
进一步的，步骤S5-1的欺骗信号参数包括
Figure BDA0003262668680000024
和
Figure BDA0003262668680000025
其中
Figure BDA0003262668680000026
是的信号振幅估计值，
Figure BDA0003262668680000027
是伪造C/A代码信号估计值，
Figure BDA0003262668680000028
是欺骗导航信号估计值，
Figure BDA0003262668680000029
是欺骗多普勒频率估计值，
Figure BDA00032626686800000210
是欺骗相移估计值。
进一步地，步骤S5-2中的复制信号
Figure BDA00032626686800000211
生成公式为：
Figure BDA00032626686800000212
其中
Figure BDA00032626686800000213
是时间偏移量估计值，fL1是标称GPS载波频率。
进一步的，基于车辆轨迹检测的GPS欺骗检测方法包括以下条件：
车辆需要配备用于V2V通信的无线电，用于车辆间测距的雷达以及GPS信号记录系统；
在每一次GPS信号刷新时，同步得到GPS位置距离和雷达测量距离；
GPS接收机设计为首先搜索确定在启动时接收到哪些卫星信号，然后在捕获欺骗信号的过程中确定每个卫星的时延和多普勒频率的粗略近似；
GPS接收机跟踪回路能够估计欺骗信号的所有必要参数。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于智能车辆轨迹预测的GPS欺骗检测方法，其特征在于，首先获取车队中前后两车的GPS位置信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离；下一时刻通过雷达测量两车之间距离，同时更新车辆GPS位置信息，计算前车与后车GPS接收机间的距离；通过比较两车雷达测量的真实距离和GPS位置信号间的距离，判断领头的前车是否存在GPS欺骗；若判断为存在欺骗攻击，则对GPS欺骗信号进行追踪和消除。本发明可以根据车辆GPS距离和雷达距离的偏差和欺骗检测阈值的对比，检测出是否受到了GPS欺骗，减小报虚警的概率，并可在检测受到GPS欺骗攻击，利用GPS接收器的跟踪回路跟踪并消除GPS信号。
附图说明
图1为本发明具体流程操作图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，首先获取车队中前后两车的GPS位置信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离；下一时刻通过雷达测量两车之间距离，同时更新车辆GPS位置信息，计算前车与后车GPS接收机间的距离；通过比较两车雷达测量的真实距离和GPS位置信号间的距离，判断领头的前车是否存在GPS欺骗；若判断为存在欺骗攻击，则对GPS欺骗信号进行追踪和消除。
本发明提出的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法需要满足以下条件：
(1)车辆需要配备用于V2V通信的无线电，用于车辆间测距的雷达以及GPS信号记录系统；
(2)在每一次GPS信号刷新时，同步得到GPS位置距离和雷达距离；
(3)GPS接收机设计为首先搜索确定在启动时接收到哪些卫星信号，然后在捕获欺骗信号的过程中确定每个卫星的时延和多普勒频率的粗略近似。
(4)GPS接收机跟踪回路能够估计欺骗信号的所有必要参数。
具体参阅图1，本发明一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，包括以下步骤：
S1、获取车队中每辆车的GPS信号信息并相互交换信息，记录车辆之间的初始距离；
S2、在车辆CACC系统控制的行驶过程中，刷新每辆车的车辆GPS信号，记录GPS位置信息并计算车辆间的GPS位置距离，储存为GPSsite_D，初始情况下对GPS_site默认为信任,同时通过雷达测量GPS接收点之间的距离，并储存为Radarsite_D；
S3、计算GPS位置距离和雷达测量距离的偏差，从而计算确定欺骗检测阈值，进行以下操作。
S3-1、计算GPS位置距离和和雷达测量距离之间的时间戳差值Δt＝Tg-Tr，当步骤S3-1中GPS位置距离的时间戳和雷达测量距离的时间戳差值Δt＝0，表明两个位置信息时间同步，执行步骤S3-2；
当GPS位置距离的时间戳和雷达测量距离的时间戳差值不为0时，表明两个位置信息时间不同步，可能存在GPS欺骗，跳转到步骤S6。
S3-2、GPS位置距离与雷达测量距离的偏差Δd计算如下：
Δd＝|GPSsite_DTg-Radarsite_DTp|，
S3-3、欺骗检测阈值Ec计算如下：
Eh＝σureHDOP,
Figure BDA0003262668680000041
若排除干扰，理论上二者的距离为0，即Δd＝0，但因为存在不稳定因素，二者的距离不为0，即Δd≠0。
因此当GPS位置距离和雷达测量距离的偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差在误差范围内，可认为车辆没有受到GPS欺骗攻击，执行步骤2；
当GPS位置距离和雷达测量距离偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差超出了误差范围，可能存在GPS欺骗，执行步骤6。
S4、执行此步骤则表示车辆没有受到GPS欺骗攻击，则可信任此GPS位置信息，返回到步骤S2；
S5、执行此步骤则表示车辆可能受到GPS欺骗攻击,累积5次检测到欺骗攻击则提醒驾驶员可能存在GPS欺骗攻击，并跟踪欺骗信号，进入欺骗信号消除程序，具体如下。
S5-1、跟踪分析GPS欺骗信号并计算欺骗信号参数；
S5-2、仿照欺骗产生器的公式生成一个欺骗信号的复制信号
Figure BDA0003262668680000042
S5-3、在GPS接收机的中频(IF)电平中减去生成的复制信号；
S5-4、搜索产生的已清理信号，从而能寻找真实的全球定位系统信号；
S5-5、在恢复了真实信号之后进行GPS位置信号采集和跟踪。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于车辆车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，首先获取车队中前后两车的GPS位置信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离；下一时刻通过雷达测量两车之间距离，同时更新车辆GPS位置信息，计算前车与后车GPS接收机间的距离；通过比较两车雷达测量的真实距离和GPS位置信号间的距离，判断领头的前车是否存在GPS欺骗；若判断为存在欺骗攻击，则对GPS欺骗信号进行追踪和消除。
2.根据权利要求1所述的一种基于车辆轨迹检测的GPS欺骗检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取车队中前后两车的GPS信号信息并相互交换信息，记录两车之间的初始距离，时间戳T＝0；
S2、在车辆CACC系统控制的行驶过程中，刷新前后两车GPS信号，记录GPS位置信息并计算两车GPS接收点之间的距离，储存为GPSsite_D，同时通过雷达测量两车之间的真实距离，并储存为Radarsite_D；
S3、计算GPS位置距离和雷达测量距离的偏差，并设定欺骗检测阈值，比较GPS距离和雷达距离的偏差和根据偏差设定的欺骗检测阈值，依据差值不同分别执行步骤S4或S5；
S4、执行此步骤则表示领头车辆没有受到GPS欺骗攻击，则可信任此GPS位置信息，返回到步骤S2；
S5、执行此步骤则表示领头车辆可能受到GPS欺骗攻击，累积5次检测到欺骗攻击则提醒驾驶员可能存在6PS欺骗攻击，并跟踪欺骗信号，进入欺骗信号消除程序。
3.根据权利要求2所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
S3-1、计算两车GPS位置距离和和雷达测量距离之间的时间戳差值Δt＝Tg-Tr，其中Tg为6PS位置距离时间戳，Tr为雷达测量距离时间戳；
S3-2、GPS位置距离与雷达测量距离的偏差Δd计算如下：
Δd＝|GPSsite_DTg-Radarsite_DTp|，
其中GPSsite_DTg为Tg时刻GPS位置距离，Radarsite_DTp为Tr时刻雷达测量距离；
S3-3、欺骗检测阈值Ec计算如下：
Eh＝σureHDOP，
Figure FDA0003262668670000011
其中，HDOP是将接收机到卫星沿视线方向的距离误差映射为水平平面距离误差的映射函数，σure是用户距离误差，
Figure FDA0003262668670000012
为雷达距离测量方差。
4.根据权利要求3所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，当步骤S3-1中两车GPS位置距离的时间戳和雷达测量距离的时间戳差值Δt＝0，表明两个距离的获取值在同一时刻，可执行步骤S3-2；当GPS位置距离的时间戳和雷达测量距离的时间戳差值不为0时，表明两个位置信息的获取值不在同一时刻，可能存在GPS欺骗，跳转到步骤S6。
5.根据权利要求3所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，步骤S3-3中，当GPS位置距离和雷达测量距离的偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差在误差范围内，可认为领头车辆没有受到GPS欺骗攻击，执行步骤2；当GPS位置距离和雷达测量距离偏差值小于欺骗检测阈值时，表明两者距离偏差超出了误差范围，可能存在GPS欺骗，执行步骤5。
6.根据权利要求2所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：
S5-1、跟踪分析GPS欺骗信号并计算欺骗信号参数；
S5-2、仿照欺骗产生器的公式生成一个欺骗信号的复制信号
Figure FDA0003262668670000021
S5-3、在GPS接收机的中频(IF)电平中减去生成的复制信号；
S5-4、搜索产生的已清理信号，从而能寻找真实的全球定位系统信号；
S5-5、在恢复了真实信号之后进行GPS位置信号采集和跟踪。
7.根据权利要求6所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，步骤S5-1的欺骗信号参数包括
Figure FDA0003262668670000022
和
Figure FDA0003262668670000023
其中
Figure FDA0003262668670000024
是的信号振幅估计值，
Figure FDA0003262668670000025
是伪造C/A代码信号估计值，
Figure FDA0003262668670000026
是欺骗导航信号估计值，
Figure FDA0003262668670000027
是欺骗多普勒频率估计值，
Figure FDA0003262668670000028
是欺骗相移估计值。
8.根据权利要求6所述的基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，步骤S5-2中的复制信号
Figure FDA0003262668670000029
生成公式为：
Figure FDA00032626686700000210
其中
Figure FDA00032626686700000211
是时间偏移量估计值，fL1是标称GPS载波频率。
9.根据权利要求1所述的一种基于车辆CACC系统的GPS欺骗检测方法，其特征在于，基于车辆轨迹检测的GPS欺骗检测方法包括以下条件：
车辆需要配备用于V2V通信的无线电，用于车辆间测距的雷达以及GPS信号记录系统；
在每一次GPS信号刷新时，同步得到GPS位置距离和雷达测量距离；
GPS接收机设计为首先搜索确定在启动时接收到哪些卫星信号，然后在捕获欺骗信号的过程中确定每个卫星的时延和多普勒频率的粗略近似；
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