CN117501154A - 用于探测定位系统的gnss接收器中的gnss欺骗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于借助于定位系统的GNSS接收器来探测GNSS欺骗的方法，其中GNSS接收器包括用于接收GNSS信号的天线，并且其中GNSS信号由至少一个GNSS卫星发射并且分别以位移一频率差的方式由GNSS接收器接收，所述方法包括以下步骤：a)通过天线接收GNSS信号，b)检测由GNSS卫星发射的GNSS信号的频率与由天线接收的GNSS信号的频率之间的频率差，c)使用GNSS接收器的移动变化信息求出频率差的变化速率，d)检查所求出的变化速率是否对应于对于卫星信号接收特征性的变化速率，并且e)如果所求出的变化速率不匹配于卫星信号接收，则探测到GNSS欺骗。

Description

用于探测定位系统的GNSS接收器中的GNSS欺骗的方法

技术领域

本发明涉及一种借助于定位系统的GNSS接收器来探测GNSS欺骗的方法。

背景技术

全球导航卫星系统(简称：GNSS)是通过接收导航卫星信号对地球上和空中进行位置确定和导航的系统。借助于具有GNSS接收器的定位系统，可以对配备有定位系统的物体进行定位和导航。

当然，如今通过成本适宜的硬件和例如开源软件可以在没有大耗费的情况下伪造导航卫星信号，使得可以通过伪造的导航卫星信号来操纵物体。这称为GNSS欺骗，并且对于自动行驶尤为重要。因此，在此除了定位精度之外，自动行驶对安全性和完整性(或者定位信息的准确性，例如精度数据的准确性)提出特别高的要求。基于GNSS的定位的安全性尤其在安全关键的自动的行驶功能的范围中尤其重要，以保护定位免受通过伪造的导航卫星信号来操纵。因此，实时探测GNSS欺骗尤其对于自主行驶而言视作为是必要的。

在目前的方法中，例如通过以下方式探测GNSS欺骗：

-基于导航卫星信号的功率大小，

-基于加密的导航卫星信号，

-借助惯性测量单元(IMU)，

-基于借助于辅助信号确定GNSS接收器的位置，或

-基于导航卫星信号的载噪比值(CNO值)的分析。

当然，由于GNSS欺骗方法的多样性，上述方法的使用非常有限。因为虚假的导航卫星信号可以例如同样具有如真正的导航卫星信号一样的功率大小或加密。

本发明描述一种用于基于多普勒效应来探测GNSS欺骗的新的选项。因为伪造的导航卫星信号通常通过天线发送，并且都来自相同方向，而真正的导航卫星信号由于导航卫星的分布和移动而来自不同的天空方向。因此，通过GNSS欺骗方法非常难以模拟导航卫星信号的入射角度。GNSS欺骗的这一弱点可用于对其进行探测。

发明内容

基于此，这里描述了用于探测定位系统的GNSS接收器中的GNSS欺骗的特别有利的方法。

在此描述一种借助于定位系统的GNSS接收器来探测GNSS欺骗的方法，其中GNSS接收器包括用于接收GNSS信号的天线，并且其中GNSS信号由至少一个GNSS卫星发送并且分别以位移一频率差的方式由GNSS接收器接收，所述方法包括以下步骤：

a)通过天线接收GNSS信号，

b)检测由GNSS卫星发射的GNSS信号的频率与由天线接收的GNSS信号的频率之间的频率差，

c)使用GNSS接收器的移动变化信息求出频率差的变化速率，

d)检查所求出的变化速率是否对应于对于卫星信号接收特征性的变化速率，并且

e)如果所求出的变化速率不匹配于卫星信号接收，则探测到GNSS欺骗。

所描述的方法特别适合自主行驶。在此，自主行驶尤其表示车辆、移动机器人和无驾驶员运输系统(例如机动车辆、飞机、船舶)的前向移动，它们都借助于GNSS接收器并基于全球导航卫星系统(GNSS)很大程度上自主地运行。尤其有利的是：自动行驶的机动车辆配备有用于执行所描述的方法的具有这种GNSS接收器的定位系统。

例如，全球导航卫星系统是

-美利坚合众国的NAVSTAR GPS(全球定位系统)，

-俄罗斯联邦的GLONASS(全球卫星导航系统)，

-欧盟的伽利略，以及

-中华人民共和国的北斗。

在此，GNSS信号特别是指由全球导航卫星系统(GNSS)的卫星发送的信号。GNSS信号的接收和评估固定绑定在硬件GNSS接收器中。

术语“GNSS欺骗”在此特别是指放射有针对性操纵的GNSS信号，以便在GNSS接收器中操纵计算的时间和/或操纵位置。GNSS欺骗信号是根据GNSS信号模拟的欺骗性信号，所述欺骗性信号的自身的身份通过欺骗方法来伪装。因此，GNSS欺骗信号的评估提供了错误的定位。

用于执行所描述的方法的物理基础是多普勒效应，所述多普勒效应表示在信号传输期间在发射器和接收器之间的间距变化时的信号的时间压缩或扩展。由于全球导航卫星系统是移动的系统，其卫星还有GNSS接收器都在移动，因此接收到的GNSS信号因所述移动而经受多普勒效应的影响，使得发送的GNSS信号以移位多普勒频率的方式被接收。换言之，这意味着：所发射的GNSS信号的频率与接收到的GNSS信号的频率不同，其中多普勒频率对应于发送的GNSS信号的频率与接收到的GNSS信号的频率之间的频率差。此外，所述多普勒频率随着GNSS信号发射器和GNSS信号接收器之间的相对移动的变化而变化。此外，GNSS卫星的位置和移动可以例如通过星历表来确定，并且GNSS接收器的移动可以例如通过移动传感装置(例如惯性测量单元、陀螺仪或方向盘角度传感装置)来确定，使得通过GNSS卫星和GNSS接收器的可确定的移动同样可以确定其变化。因此，如果多普勒频率及其变化未按预期表现，则发现可能的GNSS欺骗行为。

在此，为了探测可能的GNSS欺骗，在步骤a)中接收GNSS信号之后，在步骤b)中检测上述多普勒频率。换言之，这意味着：在步骤b)中检测到的、在由GNSS卫星发送的GNSS信号的频率和由天线接收到的GNSS信号的频率之间的频率差基本上是多普勒频率，所述频率差由于GNSS卫星和GNSS接收器之间的相对移动而形成。该频率差在下文中被称为多普勒频率。

在步骤b)中，多普勒频率例如可以借助锁频环(英文：Frequency Locked Loop，FLL)来求出。根据卫星移动，接收到的GNSS信号具有卫星特定的多普勒频率。所述多普勒频率与GNSS卫星当前是否接近或远离GNSS接收器相关。由于GNSS卫星的轨道是已知的，因此可以预测GNSS接收器的多普勒频率。在此检查多普勒频率是否合理。这可以通过了解GNSS接收器的大致位置(例如：假设位置与实际位置的偏差小于1km)和借助例如年历和/或星历表来了解GNSS卫星随时间的位置来进行。从对GNSS卫星相对于GNSS接收器的大致位置的位置和移动的了解中可以检测可预期的多普勒频率，所述多普勒频率由于在天空或轨道中的GNSS卫星和地球上的GNSS接收器之间的相对移动得出。

在步骤c)中，使用GNSS接收器的移动变化信息来求出频率差的变化速率。在此，求出在步骤b)中检测的多普勒频率的变化如何与GNSS接收器的移动变化信息相关。移动变化信息描述GNSS接收器的移动在一定时间间隔内如何变化。这种移动变化可以在数学上例如表示位移矢量对时间的二阶导数或位移矢量对相对于GNSS接收器的移动方向的转向角的一阶导数。移动变化可以例如是GNSS接收器的加速和/或方向变化的移动。

关于GNSS接收器的移动变化信息尤其对于保护防止GNSS欺骗是有利的，因为GNSS接收器的移动变化不被欺骗者模拟(或难以模拟)。因为对于欺骗者来说技术上相当困难的是：在现场在一般情况下求出特定选择的目标接收器的移动并且将所述信息适配地安置在欺骗的信号中。

在步骤d)中，检查所求出的变化速率是否对应于对于卫星信号接收特性的变化速率。

在GNSS欺骗中，伪造的GNSS信号通常从一个位置放射。这与放射真正的信号的方式有根本的不同，因为真正的GNSS信号经由卫星放射，所述卫星从接收器的角度来看大致均匀地分布在天空中。这是期望的，以便通过有利的卫星几何结构实现低DOP值进而实现更高的定位精度。因此，真正的GNSS信号从不同天空方向射到GNSS接收器上。与此相反，通过GNSS欺骗伪造的GNSS信号从进行放射的天线的方向接收。因此，真正的GNSS信号的接收方向明显更加多样化。因此，GNSS欺骗情况下的多普勒频率的变化速率与真正情况不同。

在数学上，多普勒频率的变化速率例如是多普勒频率对时间的一阶导数。因此，通过控制设备可以根据接收到的信号来检测实时的变化速率(实际变化速率)。此外，GNSS的卫星仅按照特定的移动模式移动，所述移动模式可以事先确定。在此，可以根据卫星的移动模式检测目标变化速率。

在步骤e)中，如果所求出的实际变化速率与所求出的目标变化速率不一致，则探测到GNSS欺骗。换言之，这意味着：如果所求出的变化速率与卫星信号接收不匹配，则探测到GNSS欺骗。

在此，例如，如果配备GNSS接收器的机动车辆加速，则接收到的伪造的GNSS信号的多普勒频率例如会以相同方式变化。如上所述，因此在GNSS接收器的移动变化信息的影响下，伪造的GNSS信号都从大致相同的方向接收，并且欺骗者通常不模拟GNSS接收器的移动变化。相比之下，真正的GNSS信号的双频由于其入射角度不同而不同地变化。

优选的是，在步骤b)中频率差和在步骤c)中频率差的变化速率使用基于人工智能的算法来求出。有利地，通过机器学习来按照卫星和GNSS接收器的位置求出频率差，因为机器学习在求出频率差时具有出色的准确性和持续自动的改进潜力。尤其有利地，通过机器学习借助于GNSS接收器的移动变化信息来求出多普勒频率的变化速率。在此，典型的多普勒影响可以通过GNSS接收器的移动变化来了解，因此在GNSS接收器的移动变化时探测为非典型的多普勒反应会表明存在伪造的GNSS信号。

优选地，在步骤b)中，在考虑GNSS接收器的时钟误差和/或至少一个GNSS卫星的移动的情况下检测频率差。

定位和导航通过以下方式附加地基于GNSS卫星和GNSS接收器之间的时间同步：即GNSS卫星和GNSS接收器之间的距离通过GNSS信号传输的渡越时间确定。当然，GNSS接收器最常使用石英时钟，所述石英时钟的时钟误差显著大于GNSS卫星中的原子钟的时钟误差，这会导致检测接收到的GNSS信号的预期的多普勒频率的偏差。所述偏差被视为干扰变量。此外，必须充分精确地了解和检测接收器时钟误差的特征，以便从当前的角度来看在此描述的探测方法可以稳健地发挥作用。否则，在此用于欺骗探测的平均多普勒变化速率可能无法与接收机时钟的漂移区分开。

此外，GNSS卫星轨道和GNSS卫星时钟的附加偏差会影响用于检测预期多普勒频率的准确性。优选地，例如可以从国际GNSS服务(IGS)下载精确的星历表或时钟校正并存储在数据库中。所述星历表或时钟校正尤其用于校正卫星时钟和轨道。

在此，例如可以借助人工智能方法，例如借助于神经网络(缩写：NN)来处理接收到的GNSS信号。在神经网络中，可以借助于存储在数据库中的GNSS信息、例如精确的星历表或时钟校正且在考虑GNSS接收器的移动信息的情况下来求出和/或处理预期的多普勒频率。在此，也可以借助于惯性测量单元(IMU)检测移动信息。除了精确星历表之外，还可以考虑使用GNSS的广播星历表。

优选地，在步骤c)中，基于GNSS接收器的加速和/或方向变化的移动来检测频率差的变化速率。

特别优选地，在步骤c)中，检测一时间点的频率差的变化速率和/或以在一时间间隔上取平均的方式检测频率差的变化速率。

还优选地，该时间点对应于在GNSS接收器的移动变化之前或之后的时间点，和/或该时间间隔对应于GNSS接收器的移动变化的持续时间。

在此，可以检测例如在GNSS接收器加速之前和之后的频率差的变化速率。例如，即使在GNSS接收器加速的情况下，还可以检测频率差的变化速率。如果接收到的GNSS信号的多普勒频率在减去干扰变量、例如时钟误差和GNSS卫星的移动以及GNSS卫星轨道的偏差之后结果大致大小相同(包括相同的符号)，那么很可能是GNSS欺骗。

例如，实现方案可以借助于记录以下内容来进行：

-各个所接收到的GNSS信号的多普勒频率，和

-GNSS接收器的速度和/或加速度。

可以立即评估所记录的值。例如，在所记录的数据中搜索或选择在加速过程之前和之后的值，并且对跟踪的信号分别形成在加速过程之前和之后的多普勒差。

此外，在GNSS接收器的方向变化的移动之前和之后可以检测频率差的变化速率。该处理方式类似于在加速之前和之后的上述处理方式。在此，例如可以记录相对和/或绝对的移动方向，其中相对移动方向例如通过陀螺仪或方向盘角度传感装置检测并且绝对移动方向通过罗盘检测。如果变化角度超过90°和/或GNSS接收器的移动速度超过10m/s，则优选地认为移动方向变化。

为了进一步提高精度，可以在GNSS接收器移动变化之前、之后或期间考虑上述偏差(例如，由于卫星位置相对于在接收器移动状态没有变化时的接收器位置的变化和/或由于时钟误差引起的多普勒漂移)。在此，可以从所属的相关的时间点处的记录的多普勒相关的值中减去偏差。

还有利地，在GNSS接收器的加速和/或方向变化的移动期间以时间平均的方式检测多普勒频率。因此，可以减少测量中的噪声。

优选地，在步骤d)之前多次地至少部分并行或依次重复执行步骤a)至步骤c)，并且其中在步骤a)中从至少两个GNSS卫星接收GNSS信号。

每个全球导航卫星系统都具有多个卫星(例如伽利略具有28颗卫星，GPS具有24颗卫星)，所述卫星均匀分布在天空或轨道处，并且按照预定的移动模式移动。如果定位系统同时接收来自相同GNSS的四个GNSS信号，则无需任何辅助手段即可进行直接定位。此外，当今的定位系统包括多个GNSS接收器，所述GNSS接收器分别还具有至少有一个、例如两个或三个GNSS信号传输通道。因此，如今的定位系统能够(同时)从不同GNSS接收GNSS信号并进行处理。

因此，有利地通过重复执行步骤a)至步骤c)从不同的GNSS信号中求出GNSS信号的多普勒频率。尤其有利地，如果从相同GNSS接收GNSS信号，则同时执行步骤a)至步骤c)。还有利地，如果从不同的GNSS接收到GNSS信号，则依次执行步骤a)至步骤c)。

优选地，在步骤d)中，基于平均变化速率和/或方差来探测GNSS欺骗。

特别优选地，在步骤d)中，如果平均变化速率超过可预定的第一基准值，则探测到GNSS欺骗。

还优选地，在步骤d)中，如果方差不超过可预定的第二基准值，则探测到GNSS欺骗。

如更上文所描述的那样，真正的GNSS信号来自不同的天空方向，使得在平均时可以相互补偿真正的GNSS信号的多普勒频率的变化速率，并且使得真正的GNSS信号的多普勒频率的平均变化速率具有接近零的非常小的值。

相比之下，伪造的GNSS信号来自相同的方向，使得伪造的GNSS信号的多普勒频率变化速率表现相同，并且在平均时无法相互补偿，并且使得伪造的GNSS信号的多普勒频率的平均的变化速率具有相对大的值，所述值显著大于零。

有利地，预先确定第一基准值作为阈值。如果平均变化速率超过第一基准值，则该超出表明GNSS欺骗。还有利地，根据GNSS接收器在其加速之前和之后的速度变化来确定第一基准值。

在此，与平均变化速率类似，GNSS欺骗也可以通过确定方差来探测。在此，该方差对应于GNSS信号的多普勒频率变化速率与其平均变化速率的均方偏差。如果方差具有非常小的值，例如接近于零的值，则这意味着GNSS信号来自相同方向，进而探测到GNSS欺骗。这意味着：例如，如果在GNSS接收器加速时方差没有增加且不超过阈值，则探测到可能的GNSS欺骗。

有利地，预先确定第二基准值作为阈值。如果方差不超过第二基准值，则表明GNSS欺骗。还有利地，根据GNSS接收器在其加速之前和之后的速度变化来确定第二基准值。

尤其有利地，在步骤d)中，如果平均变化速率与方差的商超过第三可预定的基准值，则探测到GNSS欺骗。

此外，借助所描述的方法可以跟踪欺骗者的大致位置。在此，可以借助于以服务器系统中对应合并的数据的形式的众包或通过机动车辆合作并借助机动车辆的行驶方向(例如来自指南针和纵向加速度)来对欺骗者的位置限界。如果在GNSS接收器的移动变化时对于来自不同卫星的多个接收到的GNSS信号识别到多普勒频率有显着相似的变化，则可以从GNSS接收器的加速度方向和多普勒频率的符号中确定伪造的GNSS信号的接收方向。如果在不同位置处测量对多普勒频率变化的影响，则因此可以对欺骗者的位置限界。

优选地，使用用于执行在此描述的方法的计算机程序。换言之，这尤其涉及包括指令的计算机程序(产品)，在该程序通过计算机执行时，所述指令促使其执行在此描述的方法。

特别优选地，使用其上存储有在此提出的计算机程序的机器可读存储介质。机器可读存储介质通常是计算机可读的数据载体。

还优选地，用于车辆的定位系统被设计用于执行在此描述的方法。

附图说明

在下文中根据附图详细解释在此所提出的方法以及技术环境。其中示意性地：

图1示出用于在常规运行流程中探测定位系统的GNSS接收器中的GNSS欺骗的在此所提出的方法的流程。

具体实施方式

图1示意性地示出用于在常规运行流程中探测定位系统的GNSS接收器中的GNSS欺骗的在此所提出的方法的流程。用框110、120、130、140和150示出的方法步骤a)、b)、c)、d)和e)的顺序仅仅是示例性的。在框110中，通过天线接收GNSS信号。在框120中，检测在由GNSS卫星发送的GNSS信号的频率和由天线接收的GNSS信号的频率之间的频率差。在框130中，使用GNSS接收器的移动变化信息来求出频率差的变化速率。在框140中，检查所求出的变化速率是否对应于对于卫星信号接收特征性的变化速率。在框150中，如果所求出的变化速率不匹配于卫星信号接收，则探测到GNSS欺骗。

特别地，用于求出多个不同的GNSS信号的频率差的变化速率的方法步骤a)至c)可以部分并行或同时运行至少多次。

Claims (14)

1.一种用于借助于定位系统的GNSS接收器来探测GNSS欺骗的方法，其中所述GNSS接收器包括用于接收GNSS信号的天线，并且其中所述GNSS信号由至少一个GNSS卫星发射并且分别以位移一频率差的方式由所述GNSS接收器接收，所述方法包括以下步骤：

a)通过所述天线接收GNSS信号，

b)检测由GNSS卫星发射的所述GNSS信号的频率与由所述天线接收的所述GNSS信号的频率之间的频率差，

c)使用所述GNSS接收器的移动变化信息求出所述频率差的变化速率，

d)检查所求出的变化速率是否对应于对于卫星信号接收特征性的变化速率，并且

e)如果所求出的变化速率不匹配于卫星信号接收，则探测到GNSS欺骗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)至所述步骤e)中的至少一个步骤使用基于人工智能的算法来求出。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤b)中，在考虑所述GNSS接收器的时钟误差和/或所述至少一个GNSS卫星的移动的情况下检测所述频率差。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，基于所述GNSS接收器的加速的和/或方向变化的移动来检测所述频率差的变化速率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，检测一时间点的所述频率差的变化速率，和/或以在一时间间隔上取平均的方式检测所述频率差的变化速率。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述时间点对应于在所述GNSS接收器的移动变化之前或之后的时间点，和/或所述时间间隔对应于所述GNSS接收器的移动变化的持续时间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤d)之前多次地至少部分并行或依次重复执行步骤a)至步骤c)，并且其中在步骤a)中从至少两个GNSS卫星接收GNSS信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤d)中，基于平均变化速率和/或方差来探测所述GNSS欺骗。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤d)中，如果所述平均变化速率超过可预定的第一基准值，则探测到GNSS欺骗。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中在步骤d)中，如果所述方差不超过可预定的第二基准值，则探测到GNSS欺骗。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中在步骤d)中，如果所述平均变化速率与所述方差的商超过可预定的第三基准值，则探测到GNSS欺骗。

12.一种计算机程序，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

13.一种机器可读存储介质，在所述机器可读存储介质上存储有根据权利要求8所述的计算机程序。

14.一种用于车辆的定位系统，所述定位系统被设计用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。