CN1815255A - 使用现有蜂窝网络来检测gps人为干扰事件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用一个或多个蜂窝电信网络来检测GPS信号人为干扰事件的系统，其中GPS信号是由多个在地理上分散的基站出于定时或同步目的接收的——例如某些基于CDMA的移动电话网络。每一个基站配备了一个数据路由子系统，该系统将基站检测到的与接收到的GPS信号中的中断相关的数据路由到实时国家数据库。所述数据库则存储和处理接收数据，并被配置成由政府或其他官员进行访问，以便评定一个或多个蜂窝网络所覆盖的地理区域上的GPS干扰。GPS中断/干扰数据可以用图形方式显示，并且可以与其他相关数据相关联。

Description

使用现有蜂窝网络来检测 GPS人为干扰事件的系统

技术领域

本发明涉及电信领域，尤其涉及用于检测信号人为干扰(jamming)或干扰(interference)、特别是全球定位系统(“GPS”)中的信号人为干扰或干扰的系统。

背景技术

全球定位系统(“GPS”)是一种用于确定终端用户在地球表面上的位置的卫星导航系统。GPS包括多个朝着地球向下发射编码时间信号的中间地球轨道卫星。每一个卫星都具有机载原子钟，以便产生编码时间信号，卫星彼此之间则通过与一个或多个地面控制站的无线电通信来进行同步。GPS接收机(例如终端用户携带的便携式电子设备)接收并解码来自多个(例如四个或多个)卫星的时间信号，并且终端用户的纬度、经度以及仰角是用三角测量算法而从这些信号中计算得到的。此外，GPS接收机还会根据那些经过必要的校正因素修改的接收时间信号来计算本地时间。

除了设备成本之外，访问GPS都是免费的，并且个人和商业实体可以通过使用GPS来简单快速地确定位置和时间。特别地，对航空工业和军队来说，GPS是非常重要的，在航空工业中，GPS被用于导航和空中交通管制，在军队中，GPS则被用于导航、武器系统控制、兵力部署协调等等。

由于接收机端的GPS卫星信号相对较弱，因此GPS接收机有可能受到干扰或是人为干扰的影响。有意的干扰有可能起因于恐怖分子的活动(例如使用电子人为干扰设备来发射与GPS频带相交的噪声)，无意的干扰则有可能是操作商用或消费类电子设备的附带产生的结果。无论哪一种情况，对公共安全、军队以及本国安全来说，尽可能快以及尽可能准确地察觉这种干扰都是非常重要的。由于干扰是局部的，因此很难在较大的地理区域中执行检测。此外，干扰检测还要依靠昂贵的便携电子单元或是来自受影响的终端用户的报告。并且这些干扰检测方法未必可靠，它有可能在已经损害或中断用户活动之后才提供警报。

发明内容

在这里提供了一种用于检测GPS信号人为干扰或干扰事件的系统，包括一个或多个现有蜂窝网络(例如移动网络)、运行于各个网络基站的数据路由子系统，以及与基站进行通信的实时国家数据库。现有蜂窝网络部署在大的地理区域中(例如国家的移动电话网络)并具有如下类型：其中网络中的基站已经为了定时和同步之类的网络内部目的而对GPS信号进行了接收和使用。

在操作中，网络基站不断接收GPS信号。如果GPS信号在其中一个基站上受到人为干扰或是别的干扰，那么基站将会察觉这种情况，数据路由子系统则将涉及中断或干扰的数据传递到国家数据库。随后，政府或其他官员可以访问国家数据库，以便对在蜂窝网络所覆盖的地理区域上出现的GPS干扰进行评定。数据库可以对从基站接收的数据/信息进行处理，以便将其用于统计、归档和/或用户界面——例如将数据分类和映射到计算机显示的地理区域地图中。此外还可以向政府或官员发送警报，以便警告他们有可能出现重大事件或事故。

附图说明

通过参考附图来阅读下文中关于非限定性实施例的描述，可以更好地理解本发明：

图1是依照本发明一个实施例的系统的示意图；

图2A是描述依照本发明一个实施例而对GPS信号进行监视的流程图；

图2B是描述图1所示系统的国家数据库部分中的数据处理的流程图；以及

图3是显示图1所示系统中的数据路由子系统部分的更详细视图的示意图。

具体实施方式

参考图1～3，用于检测全球定位系统(“GPS”)中的人为干扰或干扰事件的系统10的一个实施例包括：现有蜂窝电信网络12(移动电话网络)，作为网络12的一部分或者结合网络12运行的数据收集或路由子系统14，以及与数据子系统14和/或网络12进行通信的实时国家数据库系统16。现有蜂窝网络12部署在一个大的地理区域中，该区域可以是全国性的地理区域，该网络具有如下类型：其中网络中的不同基站20已经为了网络12内部的用途而接收和使用了GPS信号18。在美国，适宜的网络包括那些使用由“IS-95”、“IS-2000”或其他标准规定的CDMA(码分多址)扩频复用方案的网络。在下文中，无论使用特定通信方案或协议——也就是说，无论使用的是基于CDMA还是其他方式的通信方案或协议，使用和/或检测GPS信号的任何蜂窝网络都被称为“CDMA网络”。

在操作过程中，在系统10中，作为正常操作的一部分，网络基站20不断接收GPS信号18。基站20则配置成对GPS信号18中的中断或干扰进行检测，而数据子系统14则将涉及干扰实例的数据(例如持续时间和地理位置)传递到国家数据库16。来自美国本土安全部门或其他政府机构的官员可以访问国家数据库16，以便对在CDMA网络12覆盖的地理区域上出现的GPS干扰进行评定。数据库16可以采用电子方式来处理或分析干扰数据，以便将其用于统计、归档和/或用户界面，这其中包括将数据分类并映射到计算机显示的地理区域再现(例如地图)中。应该理解的是，术语“干扰”包含了干扰、人为干扰、阻塞等等，它可以是局部或整体的，也可以是有意或无意的。

依照典型的蜂窝网络拓扑结构，CDMA网络12在地理上分为多个小区22，这些小区通常是相邻的并且共同限定了网络12的覆盖区域。每一个小区22由其中一个基站20提供服务，其中该基站包括一个或多个固定/常设收发信机以及天线24，以便与一组为网络用户提供服务的分散的移动台26(例如移动电话、“蜂窝电话”或无线单元)进行无线通信。每一个基站20还具有标准的GPS接收机28，它被配置成接收来自地球轨道中的一个或多个GPS卫星30的GPS信号18。基站20转而连接(例如通过无线方式或是陆线)到多个移动交换中心(“MSC”)32，其中每一个移动交换中心根据网络容量和配置来为特定数量的基站提供服务。所述移动交换中心32充当CDMA网络12中的无线/无线电末端与公共交换电话网或是一个或多个其他网络34之间的接口，其中包括执行那些为建立往来于移动台26的呼叫或其他数据传送所必需的信令功能。

在CDMA网络12中，基站20接收的GPS信号18被用于产生有效实施包括不同基站20之间的同步在内的同步CDMA通信所必需的准确的定时数据。例如，IS-95标准规定，基站彼此之间应该同步到几微秒以内，并且PN码(例如用于实施CDMA和其他扩频通信)的周期或“时期”是在几毫秒的UTC时间以内。如果没有适宜的定时数据，那么CDMA网络12使用的通信算法是无法正确运行的。

由于GPS信号对CDMA网络12而言是非常重要的，因此，基站20配备了在GPS出现中断或故障的情况下使用的本地时钟。举例来说，如果GPS信号18丢失或者GPS接收机28出现故障，那么大多数基站20具有可以在24小时的时间里保持同步准确度的能力。此外，如果其中某个基站20上的GPS信号出现故障(例如由于GPS接收机28中的问题或GPS信号干扰)，那么基站20会向网络运营商发布维护警报或通知，告知他们这种情况。一般来说，该警报将会转发到那些在GPS信号现故障的情况下负责在一个或多个基站上对此情况进行补救的服务人员。然而，某些情况下可能由于节流或是由于其他系统限制而丢失警报，由此未能接收到警报。

此外，在系统10中，数据路由子系统14被配置成将警报拷贝和/或附加或其他的GPS干扰数据路由到实时国家数据库16。数据路由子系统14可以是独立的电子模块，也可以是集成的电子模块。更为常见的是，每一个子系统14都包括一组并行于或是结合基站的现有操作而运行于基站的现有计算机/电子系统(例如基站控制器)的软件或固件子程序(例如计算机程序)。例如，数据路由子系统14可以采取一个或多个脚本(例如由基站控制器执行的指令序列)的形式，其中除了网络所有者/运营商之外，该脚本还会将GPS干扰数据路由到国家数据库16。

通常，GPS干扰数据是象发送给移动站26或是从移动站26发送的数据那样用CDMA网络的现有协议和基础结构发送的。例如，系统10可以利用CDMA网络的现有能力来将移动台26连接到因特网。在这种情况下，GPS干扰数据则由基站和/或移动交换中心根据处理此类事件的网络12上的适当位置的特定标准，酌情转换成寻址到数据库的IP(网际协议)分组流。

GPS人为干扰/干扰数据包含了允许数据库16确定发生中断的基站位置的信息以及干扰持续时间的指示。GPS干扰数据可以是在出现干扰的同时产生的连续信号，也可以包含用于指示干扰起停的不同断续信号。此外，通过基站的正常操作或是通过数据路由子系统14提供的附加功能，还可以提供附加信息，其中包括与GPS信号干扰的特性和程度相关的更进一步或是更详细的信息，例如完整阻塞、局部阻塞以及接收机28上的GPS信号强度。换句话说，数据路由子系统14可以只把基站在出现GPS信号干扰时以正常方式产生的警报或警告拷贝传送到数据库16，或者数据路由子系统14可以使用附加信息来扩充警报/警告，或者可以产生完全独立的GPS干扰数据。

如图1所示，所有CDMA网络的移动交换中心32都与国家数据库16进行通信。这种布局覆盖了CDMA网络的地理区域。与国家数据库16的连接可以是专用的直接信道或线路，也可以是一个或多个已经与CDMA网络12相连的现有网络34。相关的实例包括公共电话交换网以及因特网。此外，通过恰当配置(例如配备数据路由子系统14)附加的CDMA网络36，并且通过将其连接到国家数据库16，可以提供超过单个CDMA网络12的覆盖范围，以及提供区域性、全国性乃至多国性的覆盖范围。

实时国家数据库16是在计算机或计算机系统上运行的基于计算机的数据处理和存储程序，其中所述计算机或计算机系统则被配置成对一个或多个网络34进行访问。例如，在与因特网相连并具有自己的唯一URL(例如网址)的服务器计算机上可以实现数据库16。数据库16包括：用于与网络34对接的通信模块或网络接口38，用于处理和存储与一个或多个CDMA网络12、36中的各个小区或基站有关的数据的数据处理和存储模块40，以及用户界面42，并且所有这些都可以用标准的数据库、数据处理以及因特网技术来实现。

在操作中，数据库16接收来自一个或多个CDMA网络12、36的GPS干扰数据，并以与接收同样的速度以及依照政府官员或其他终端用户的使用需要来实时处理该数据。例如，数据库16可以只存储数据以及在出现GPS信号中断的情况下发布警报。作为选择，数据库16也可以通过用户界面42来产生CDMA网络12、36所覆盖的地理区域的再现，例如美国或是其某一部分的地图，以及显示基站20的位置和/或小区22的边界。此外还可以显示每一个小区22或基站20的GPS状态的图形表示，举例来说，如果GPS干扰数据表示在所显示的小区或基站位置接收的GPS信号处于正常参数范围以内，则将该小区变成绿色，如果小区中的GPS信号处于正常参数范围以外，则将该小区变成黄色，如果小区中的GPS信号完全中断，则将该小区变成红色。应该理解的是，在大多数的CDMA网络中，其中会将数据路由子系统14配置成只在接收到的GPS信号中出现中断的情况下才将信息发送到数据库16。在这种情况下，会对数据库16进行设置，由此，除非数据库反之接收到来自子系统14的GPS干扰数据，否则将会假设在每一个基站都正确地接收GPS信号。

在数据库16上还可以实现附加的功能(例如图形显示或其他方式)，以便允许官员或终端用户访问有关每一个小区或基站位置的GPS状态，例如特定小区或小区群组中的GPS信号干扰的持续时间的附加信息。此外，由于GPS信号干扰有可能是间断和具有周期性的，例如恐怖分子只在夜晚尝试对机场的GPS信号接收进行干扰，因此可以对数据库16进行配置，以便显示GPS信号干扰的历史或时间平均或图案，而这种历史或时间平均或图案在单纯的“实时”显示上并未是显而易见的。

此外还可以对数据库进行配置，以便将GPS信号数据与其他相关数据或信息关联起来，并且对照地图或其他图形表示来显示这种关联。例如，在显示基站或小区位置以及每一个此类位置的GPS信号状态的同时，还可以显示任何下列信息：人口密度，地理特性和陆标，诸如军事基地或机场之类的敏感或重要设施的位置，或是任何其他与CDMA网络12所覆盖的地理区域相关的信息(合在一起称为“相关数据”)。

如上所述，对数据库16来说，其中存在多种可能的数据处理和显示模式。依照一个实施例，其中将对数据库16进行设置，以便允许用户通过访问基于命令的用户界面或是图形用户界面而在多种不同的功能和数据显示模式中进行选择。例如，用户可以选择查询数据库、运行报表、查看原始或经过处理的存储数据，还可以依照多种不同模式来查看小区/基站的GPS信号状态：实时、历史平均或图案、对照相关数据等等。

经过授权的官员可以直接在服务器计算机上访问数据库16，也可以直接通过安全的LAN而不是通过公共网络来访问数据库16，还可以通过使用可靠的网站等等而在网络34上访问数据库16。例如，在这里可以为不同的授权人员提供帐号和口令，使之能够从各自的办公室或其他远程位置经由因特网来访问数据库16。此外还可以对数据库16进行配置，使之在向官员警告可能出现的问题的过程中采取主动步骤，其中包括向注册官员的移动电话发送电子邮件消息以及发布文本消息。

图2A概述的是在系统10的基站20上的恰当位置执行的GPS信号监视功能的一个可能实施例。如步骤100所示，基站20监视接收到的GPS信号的状态。在步骤102，根据信号强度、质量等信息，确定接收到的GPS信号是否处于正常参数范围以内。如果接收到的GPS信号不在正常或预期的参数范围以内，那么在步骤104中会将反映这一事实的干扰数据发送到国家数据库16。随后，与步骤100中一样，基站20继续监视接收到的GPS信号。

参考图3，为了将干扰数据50路由到国家数据库16，可以将一个或多个数据路由子系统14恰当置于基站20，或者根据网络的特定特性将其恰当地置于一个或多个网络12、36中的其他位置，例如移动交换中心32。举例来说，如果将基站20配置成向MSC 32发送维护警报52，那么可以为每一个MSC 32提供数据路由子系统14，以便识别警报并将其拷贝转发到数据库16。简单地说，蜂窝网络12配备了一个或多个数据路由子系统14，所述数据路由子系统与蜂窝网络12的一个或多个部分、例如基站20或MSC32进行交互。

如图3中进一步显示的那样，路由到国家数据库16的干扰数据50可以仅仅是维护警报52的拷贝54。应该理解的是，与可能受到内部网络限制影响并且只针对维护人员或网络运营商的实际警报52相反，通过将拷贝54路由到国家数据库，可以确保引起官员的注意。干扰数据可以采用其他形式。例如，干扰数据50可以是维护警报拷贝54加上扩充数据56，其中扩充数据是与GPS信号干扰相关的信息或是除维护警报中所包含信息之外的其他信息。举个例子，如果维护警报只包含基站位置以及基站切换到其本地时钟的指示，那么扩充数据可以包括与GPS信号干扰特性相关的信息，例如本地设备故障、局部干扰以及整体阻塞。干扰数据50还可以是维护警报的修改版本58，这意味着维护警报相对于基站发布的原始形式发生了某种程度的修改或变化。此外，警报的修改版本58加上扩充数据56可以组合形成干扰数据50。另外，干扰数据还可以是完全独立于警报52的新产生的消息。因此，对于被配置成与蜂窝网络12的一个或多个部分进行交互或者对接的数据路由子系统14来说，它会将干扰数据50路由到国家数据库16，其中所述干扰数据50可以包含基站警报拷贝54，和/或它的某些经过修改或扩充的版本，还可以是数据路由子系统14产生的全新的消息。“产生”一词意味着数据路由子系统14会在将干扰数据50路由到数据库16之前产生或操作干扰数据50或是该数据的某些部分。

在图2B中概述了依照一个可行实施例的国家数据库16的操作。在步骤110，数据库在基准或初始结构中启动，其中假设在一个或多个网络12、36内部的基站20或小区22中接收的GPS信号处于正常参数范围以内。在步骤112，数据库16借助数据路由子系统14来监视和处理那些从基站20接收的数据。然后，在步骤114，数据库16根据从基站接收的数据来修改数据库或是与每一个作为数据来源的小区或基站相关的数据存储内容，并且对用户界面进行修改。换句话说，数据库16接收、处理并存储那些从基站接收的数据，然后则根据接收/处理的数据而以一种取决于在数据库16上实施的特定用户界面的方式来修改用户界面，其中所述界面可以是GUI/地图、查询数据库或是搜索引擎、文本界面等等。作为选择，在步骤116，数据库16可以使用电子邮件、文本消息、语音消息等手段来向官员或其他已经注册的终端用户发布警报。然后，返回到步骤112，数据库16将会继续监视和处理输入数据。

由于系统10使用了CDMA网络中的现有GPS接收机28，并且由于在美国的大多数地方而未必是所有地方已存在CDMA网络，因此可以相对快速和廉价地实现系统10，同时覆盖非常广阔的地理区域。此外，在区域/国家数据库16中实施的集中式广域实时监视允许官员更为快速有效地检测GPS干扰或人为干扰情况，并且有可能在GPS信号干扰导致任何负面后果之前察觉所述情况。

如所述，全球定位系统使用了若干个处于环绕世界的不同位置的地面控制站，以便向GPS卫星广播轨道数据、时钟修正和/或同步信号，并且追踪和监视卫星。由于基站20给出了能够通过蜂窝网络12转发接收到的GPS信号18的一系列附加固定GPS接收机，因此可以预期将系统10用于扩充现有的GPS地面控制站，从而普遍改进GPS的准确度和/或功能性。在这种情况下，会将数据路由子系统14配置成将那些在基站20接收的GPS信号发送到数据库16或是与GPS相关联的其它位置，例如位于Colorado的Schriever空军基地的GPS主控制设施。由于现有基站数量没有限制，并且由于GPS信号是连续的，因此只需要GPS信号的采样即可扩充GPS地面控制站。换句话说，考虑到所需要的数据带宽，连续转发所有接收到的GPS信号(例如与发送较小的采样相比)未必可以提供足够显著的优点。采样可以通过仅仅由基站的一个子集来转发接收到的GPS信号来完成，和/或通过发送接收到的GPS信号自身的周期性采样而不是连续信号来完成，例如每小时或每天从所有基站或者其中一部分基站发送一个采样。

作为选择，基站20和/或数据路由子系统14还可以被配置成对GPS信号“欺骗”进行检测。所述欺骗包括传送错误的GPS信号，该信号模仿实际GPS信号，但却包含了不正确的定时信息、位置信息等等。所述欺骗可以通过将接收到的GPS信号中的信息与预期信息相比较来进行检测。例如，由于基站20是固定的(例如具有已知和静态的位置)，因此可以通过将每一个基站的已知位置与从接收到的GPS信号中计算得到的位置相比较来检测不正确的定位信息。同样的情况在将接收到的定时信息与本地基站时间相比较的过程中也是成立的，其中足够大的偏差表示的是欺骗性的GPS信号，而不是纯粹的时间偏差。出于这个或其他目的，在这里可以将数据路由子系统14配置成以一种与基站中已有的用于此目的的装置(例如软件和/或硬件)相并行的方式来监视在基站20接收的GPS信号。

在不脱离这里包含的发明实质和范围的情况下，在上述系统中可以进行特定变更，以便用现有蜂窝网络来检测GPS信号的人为干扰或干扰情况，因此，在这里仅仅应该将以上描述或附图中显示的主题解释成是用于描述发明构思的实例，而不应该将其视为是对本发明进行限制。

Claims (10)

1.一种用于在蜂窝网络基站上检测全球定位系统(GPS)信号干扰的系统，所述系统包括：

数据路由器，它被配置成在基站发布GPS警报的情况下将干扰数据路由到数据库，其中所述干扰数据涉及在基站上检测的GPS信号干扰。

2.权利要求1的系统，其中干扰数据包括基站发布的GPS警报的拷贝。

3.权利要求1的系统，其中数据路由器被配置成产生至少一部分干扰数据。

4.权利要求1的系统，其中数据库与蜂窝网络进行通信，以便接收来自蜂窝网络中全部的多个基站的干扰数据。

5.权利要求1的系统，其中数据路由器包括计算机程序，该程序被配置成在基站的基站控制器部分上运行。

6.一种用于在多个蜂窝网络基站上检测全球定位系统(GPS)信号干扰的数据库系统，所述数据库系统包括：

数据处理模块，它被配置成对接收到的干扰数据进行处理，所述干扰数据涉及在多个基站上检测的GPS信号干扰；以及

用户界面，它被配置成便于访问数据库系统，以便对蜂窝网络覆盖的地理区域上的GPS信号干扰进行评定。

7.权利要求6的数据库系统，其中用户界面还被配置成显示蜂窝网络所覆盖的地理区域的图形再现，以在所述图形再现上显示多个基站的位置，以及在每一个相应基站的位置显示在相应基站上接收的GPS信号的状态。

8.权利要求7的数据库系统，其中用户界面还被配置成在图形再现上显示相关数据。

9.权利要求6的数据库系统，其中数据处理模块还被配置成确定干扰数据的时间图案，以便评定随时间变化的GPS信号干扰的图案。

10.权利要求6的数据库系统，其中用户界面还被配置成产生经由因特网来远程访问经过处理的干扰数据的因特网网站。

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