IT202100025175A1 - Procedimento per rilevare spoofing in un ricevitore gnss (global navigation satellite system), corrispondenti apparecchiatura ricevente e prodotto informatico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione industriale intitolata:
?Procedimento per rilevare spoofing in un ricevitore GNSS (Global Navigation Satellite System), corrispondenti apparecchiatura ricevente e prodotto informatico?
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo Tecnico
Le forme di attuazione della presente descrizione si riferiscono a soluzioni riguardanti il rilevamento di un segnale falsificato o spoofed in un ricevitore GNSS (Global Navigation Satellite System), e relativa apparecchiatura ricevente.
La presente descrizione in particolare si riferisce a tecniche per rilevare un canale di tracciamento influenzato da un segnale di spoofing in un Ricevitore Multi Frequenza-Multi Costellazione GNSS.
Sfondo
L?integrit? ? una caratteristica chiave nel contesto dei trasporti e la crescente disponibilit? di sistemi di ?Meaconing?/?Spoofing? a basso costo ? un problema critico.
Un cosiddetto ?spoofer? pu? intenzionalmente portare un ricevitore a stimare una posizione falsa e causare decisioni sbagliate.
Applicazioni a guida autonoma ed assistita stanno aumentando i requisiti per ricevitori GNSS a bordo e il fatto di avere un sistema anti-spoofing robusto operante con un tale ricevitore ? una necessit?.
Il meaconing, specificatamente, e l?intercettazione e ritrasmissione di segnali di navigazione GNSS. Questi segnali sono ritrasmessi sulla portante ricevuta, tipicamente, con una potenza superiore rispetto al segnale originale, per confondere la navigazione del nemico. Di conseguenza, ai velivoli, UAV o stazioni di terra sono fornite posizioni imprecise. Tale meaconing pu? essere utilizzato anche nel contesto dei trasporti per non dare un orientamento accurato ad un veicolo terrestre, come le auto, con guida assistita ed autonoma.
Sono noti procedimenti anti-spoofing per contrastare il meaconing. Ad esempio, una soluzione nota prevede di eseguire l?identificazione della posizione utilizzando maggiori costellazioni in un modo indipendente e controllando la coerenza tra loro. Essa si affida all?Ipotesi che lo Spoofing non influisca su tutte le costellazioni / larghezze di banda tracciate.
Tale soluzione agisce solo dopo che lo spoofer ha preso canali di tracciamento e necessita di un posizionamento Multifrequenza/parallelo per sopravvivere.
Inoltre, pu? essere utilizzato per un utilizzo di Autenticazione del Messaggio di Navigazione, che ? un servizio PRS Galileo.
Il Servizio Pubblico Regolamentato (PRS) Galileo ? un servizio di navigazione criptato per utenti governativi autorizzati. Le Effemeridi di Segnale sono ?criptate? ed ? richiesta una gestione di chiave tra il satellite e il ricevitore PRS.
Naturalmente, ? necessario il tracciamento ed utilizzo PRS Galileo, quindi non pu? essere applicato ad altri sistemi.
Altri procedimenti per rilevare lo spoofing GPS utilizzano un array di antenne multiple. Una tale soluzione necessita quindi di hardware aggiuntivo.
? di conseguenza necessaria una soluzione che sia efficiente con spoofing di traiettoria ed avvio di spoofing di rampa.
Sintesi
In considerazione di quanto sopra, ? uno scopo della presente descrizione fornire soluzioni che superino uno o pi? dei suddetti svantaggi.
Secondo una o pi? forme di attuazione, uno o pi? dei suddetti scopi ? conseguito per mezzo di un procedimento avente le caratteristiche specificatamente esposte nelle rivendicazioni che seguono. Le forme di attuazione riguardano inoltre un?apparecchiatura ricevente relativa e prodotto informatico.
Le rivendicazioni sono parte integrante dell?insegnamento tecnico della descrizione qui fornita.
Come menzionato prima, la presente descrizione si riferisce ad un procedimento per rilevare lo spoofing in un ricevitore GNSS, comprendente
ricevere almeno un segnale satellitare,
acquisire detto segnale satellitare come segnale ricevuto,
ricevere detto segnale ricevuto in almeno un canale di tracciamento comprendente un anello di frequenza che traccia una frequenza portante del segnale satellitare, in cui detto procedimento comprende, durante detto tracciamento,
- Ottenere un valore del rumore di fondo del satellite come rumore del canale di tracciamento, - confrontare detto valore del rumore di fondo del satellite con una soglia di rumore,
- ottenere un Rumore di Fase di tracciamento del satellite,
- confrontare il Rumore di Fase di tracciamento del satellite con una soglia di rumore di fase;
- se entrambi detto valore del rumore di fondo del satellite e Rumore di Fase di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie, segnalare il rilevamento di un segnale spoofed su detto canale di tracciamento.
In forme di attuazione variabili, detto procedimento comprende, durante detto tracciamento,
- ottenere un valore del rumore di fondo del satellite come rumore del canale di tracciamento, - ottenere un valore di fondo del rumore di riferimento, in particolare un rumore di canale medio calcolato come media dei valori di fondo del rumore su tutti i segnali satellitari che vengono tracciati;
- ottenere un rapporto del valore del rumore di fondo del satellite rispetto al valore di fondo del rumore di riferimento, in particolare rumore di canale medio;
- confrontare detto rapporto con una soglia di rapporto,
- ottenere un Rumore di Fase di tracciamento del satellite,
- confrontare il Rumore di Fase di tracciamento del satellite con una soglia di rumore di fase;
- se entrambi detto rapporto e Rumore di Fase di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie, segnalare il rilevamento di un segnale spoofed su detto canale di tracciamento. In forme di attuazione variabili, detto valore di fondo del rumore di riferimento ? calcolato nel canale di tracciamento utilizzando correlatori che si integrano su una lunghezza di chip e ad una frequenza Doppler diversa rispetto a detto anello di tracciamento di frequenza.
In forme di attuazione variabili, detto segnalare un rilevamento di un segnale spoofed su detto canale di tracciamento comprende impostare un indicatore o flag ed inoltrare detto flag ad uno strato di integrit? del ricevitore.
In forme di attuazione variabili, detto modulo che controlla lo strato di integrit? superiore del funzionamento del ricevitore invia un avviso di rilevamento ad un processore host di un sistema di guida autonoma o di un altro sistema di navigazione che sfrutta tale apparecchiatura ricevente GNSS, in particolare per mettere in quarantena detto segnale spoofed su un intervallo di tempo predefinito.
La presente descrizione si riferisce anche ad un?apparecchiatura ricevente configurata per eseguire il procedimento secondo qualsiasi delle forme di attuazione precedenti.
La presente descrizione si riferisce anche ad un prodotto informatico direttamente caricabile nella memoria interna di un computer digitale, comprendente porzioni di codice software per eseguire i passi del procedimento secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
Breve descrizione delle figure
Le forme di attuazione della presente descrizione verranno ora descritte facendo riferimento ai disegni annessi, che sono forniti puramente a titolo di esempio non limitativo ed in cui:
- la Figura 1 ? un diagramma schematico che mostra un sistema GNSS (Global Navigation Satellite System);
- la Figura 2 ? un diagramma schematico di un canale di tracciamento impiegato nel sistema di Figura 1;
- la Figura 3 ? un diagramma di flusso del procedimento qui descritto;
- le Figure 4A-4C sono diagrammi indicanti il funzionamento del procedimento qui descritto.
Descrizione Dettagliata
Nella seguente descrizione, numerosi dettagli specifici sono forniti per fornire una comprensione dettagliata di forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere messe in pratica senza uno o vari dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, strutture, materiali, o operazioni ben noti non sono mostrati o descritti nel dettaglio per evitare di rendere poco chiari gli aspetti delle forme di attuazione.
Il riferimento per tutta questa descrizione ad ?una forma di attuazione? significa che una particolare caratteristica, struttura, o peculiarit? descritta in abbinamento alla forma di attuazione ? compresa in almeno una forma di attuazione. Pertanto, la comparsa della frase ?in una forma di attuazione? in vari posti per tutta questa descrizione non fa necessariamente riferimento alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le peculiarit?, strutture, o caratteristiche particolari possono essere combinate in qualsiasi maniera appropriata in una o pi? forme di attuazione.
Le intestazioni qui fornite sono solo per comodit? e non interpretano l?ambito o significato delle forme di attuazione.
Un ricevitore di navigazione opera convertendo verso il basso quasi a banda base il segnale di ingresso ricevuto dai satelliti, che ? trasmesso alla banda L (1-2 GHz), utilizzando un oscillatore locale per scalare la frequenza di ingresso e consentire una gestione digitale in banda base delle informazioni sul Satellite.
Con riferimento a Figura 1, che mostra schematicamente un sistema GNSS (Global Navigation Satellite System) 1000 (come, ad esempio, il Sistema di Posizionamento Globale (GPS), Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS), Sistema Galileo, o altri tipi di sistemi di posizionamento basati su satellite, tale sistema di posizionamento satellitare globale 1000 comprende una costellazione di un numero NS di satelliti S1-SNS e almeno un apparato ricevente 100. I segnali satellitari utilizzati nel GNSS (Global Navigation Satellite System) sono del tipo CDMA (Accesso Multiplo a Divisione di Codice). La ricezione dei segnali satellitari nell?apparato ricevente 100 ? implementata attraverso i seguenti passi standard, eseguiti in modo sequenziale: filtraggio analogico, conversione e digitalizzazione di frequenza, acquisizione, tracciamento, decodifica e posizionamento.
L?apparato ricevente 100 comprende un?antenna 1, un modulo ricevente analogico AFE (Analog Front End), fornito di uno stadio di radiofrequenza (RF) 2, ed un convertitore analogico/digitale 3 (ADC), che pu? essere implementato tramite moduli hardware.
Inoltre, l?apparato ricevente 100 comprende un modulo di elaborazione digitale DFE (Digital Front End), comprendente un modulo di acquisizione 4 (ACQ), ed un modulo di tracciamento 5 (TRK).
Inoltre, l?apparato ricevente 100 ? fornito di un modulo di recupero di sottotrama (SBF-REC), un modulo di elaborazione di effemeridi e calcolo di pseudorange 7 (EPH-PSR), un modulo di predizione delle orbite satellitari 8 (ORB-PRE), un modulo di rilevamento del tipo di satellite 9 (MOD-DET), un modulo di calcolo di posizione del satellite 10 (SAT-POS), ed un modulo di calcolo della posizione d?utente 11 (USR-POS).
In una particolare forma di attuazione, il modulo di acquisizione 4, il modulo di tracciamento 5 possono essere implementati tramite hardware, mentre i moduli rimanenti 6-11 possono essere implementati tramite software. In aggiunta, si osserva che il modulo di acquisizione 4 e modulo di tracciamento 5 possono anche essere implementati tramite una combinazione hardware e software.
L?apparato ricevente 100 ? fornito di un?unit? di elaborazione centrale, memorie, (memoria di massa e/o archivio di lavorazione) e rispettive interfacce (non mostrato nelle figure), comprendente un microprocessore o microcontrollore, per eseguire il software residente in esso.
Le seguenti forme di attuazione sono descritte in un modo non limitativo facendo riferimento alla tecnologia GPS, tuttavia gli insegnamenti della presente descrizione possono essere applicati anche ad altri sistemi di posizionamento satellitare.
Quando l?apparato ricevente 100 opera, l?antenna 1 ricevo una pluralit? di segnali s0,?,sNS-1 da uno o pi? satelliti S0-SNS-1 della costellazione di satelliti operanti nel sistema 1000. Ad esempio, questi segnali possono essere modulati su una portante avente una frequenza di circa 1.5 GHz. Particolarmente, ciascun segnale ricevuto trasporta un codice pseudocasuale ed un messaggio per la comunicazione di dati.
Il codice pseudocasuale, noto come codice CA, ad esempio ad 1 MHz, ? utilizzato per distinguere un satellite da un?altro, e permette all?apparato ricevente 100 di misurare l?istante di tempo nel quale ? stato trasmesso un segnale da un corrispondente satellite. Il codice pseudocasuale ? implementato da una sequenza di impulsi, chiamati chip.
Lo stadio di radiofrequenza 2 opera sui segnali ricevuti dall?antenna 1 (del tipo analogico) e li converte nella banda base o in una frequenza intermedia. Il convertitore analogico/digitale 3 converte i segnali di frequenza intermedia in corrispondenti segnali digitali. Lo stadio di radiofrequenza 2 opera la conversione in una frequenza intermedia utilizzando la frequenza di un segnale locale LS che pu? essere fornito da un Oscillatore a Cristallo Termocompensato (TCXO) 2a.
Il blocco di acquisizione 4 identifica nei segnali digitali originati dal convertitore analogico/digitale 3 i satelliti in visibilit?, testando la loro presenza cercando di adattare la loro sequenza di codice PRN (Rumore Pseudocasuale) trasmessa, cio? il codice CA, con una replica locale corrispondente e quando si trova una conferma del picco fornisce le informazioni GNSS iniziali, cio? informazioni di codice/frequenza ad un blocco di correlazione di tracciamento della Frequenza Intermedia elementare. Inoltre, il modulo di acquisizione 4 rileva una pluralit? di parametri associati ai satelliti ed utilizzati per il tracciamento temporale del satellite.
Il messaggio di navigazione di dati trasporta dati (ad esempio ad una velocit? di trasmissione di bit uguale a 50 Hz) ed ? particolarmente modulato basandosi sulla tecnica di Modulazione di Fase Binaria (BPSK). Inoltre, il messaggio di navigazione di dati ? gerarchicamente diviso in trame e sottotrame e trasporta varie informazioni, tra esse una pluralit? di parametri utilizzati per determinare l?orbita e di conseguenza la posizione dei satelliti.
Il modulo di tracciamento 5 ha una pluralit? di canali di tracciamento, indicati tramite un indice di canale i da 0 a NS-1, in particolare indicati come TRK0?TRKNS-1 e ciascuno ? allocato ad un diverso satellite della costellazione. Specificatamente, il modulo di tracciamento 5 ? configurato per operare come anello di tracciamento di portante, che pu? essere progettato per seguire o la fase del segnale in arrivo ? utilizzando Anelli ad Aggancio di Fase (PLL), o la frequenza Doppler del segnale in arrivo utilizzando Anelli ad Aggancio di Frequenza (FLL). Per rumore di fase, fluttuazione residua del processo di tracciamento, si intende come una metrica di qualit? ed ? adottato per identificare la bont? dello stesso tracciamento ad una data portante al rumore Cn0.
Il modulo di tracciamento 5 ? configurato per fornire dati al modulo di recupero di sottotrama 6, come una sequenza temporale di coppie di campioni, indicate con {I, Q}. Ciascun campione {I, Q} ? ad esempio il risultato di un?integrazione coerente, rispettivamente in fase e quadratura di un bit di 20 ms, eseguita da un correlatore basato sulla tecnica di modulazione Binaria di Fase (BPSK), ciascuna coppia di campioni {I, Q} rappresenta un bit trasmesso.
Come ? noto nel campo della teoria di comunicazione digitale, ciascun campione {I, Q} pu? essere inoltre interpretato come un fasore, considerando il valore I e valore Q come le parti reali ed immaginarie di un vettore bidimensionale nel piano Cartesiano complesso.
Inoltre, per ciascun satellite, sono determinati nel modulo di tracciamento 5, la frequenza Doppler e il tempo di trasferimento del segnale GPS trasmesso da un satellite S1-SNS.
In figura 2 ? mostrato uno schema a blocchi di un canale di tracciamento TRKi pertinente un i-esimo satellite Si generico.
Un correlatore hardware 51 riceve il segnale ricevuto campionato dal blocco 4 x(k) e fornisce un segnale correlato:
ad esempio ciascun millisecondo, che ? il periodo di indice k del campione del segnale correlato x(k), ad un blocco ad anello di stima portante/Cn0 52, che emette una deriva di frequenza all?iterazione n, ?f(n) = atan(Qave / Iave) ad un blocco hardware di Oscillatore Controllato Numericol, o NCO, 53. s(k) ? il componente di segnale e w(k) ? il componente di rumore del segnale di correlazione , Ip,
Qp sono i componenti in in-step, o in fase, e in quadratura del segnale di correlazione, Iave e Qave sono i rispettivi valori medi su uno o pi? bit (l?indice di iterazione n si aggiorna ad esempio ogni 20 o 200 campioni/millisecondi (intervallo di indice k = 1 ms)) per valutare la deriva di frequenza residua, ?f, e adattare il Doppler dell?i-esimo satellite Si da spogliare alla seguente correlazione ed ottimizzare il tracciamento di picco at. Il NCO 53 fornisce un riferimento Doppler di Frequenza Finemente Sintonizzata o Fine Tuned Frequency Doppler NCO(n+1) = NCO(n) ?f(n). La correlazione ? di conseguenza eseguita ogni millisecondo, per il satellite Si che viene tracciato, iniziando dalla posizione di fase di codice di picco ed utilizzando il riferimento Fine Tuned Frequency Doppler NCO(n) che ? aggiornato attraverso l?anello portante 52 e il NCO 53.
Il modello di segnale per i satelliti agganciati pu? essere scritto come
dove ? il rumore di fondo, o noise floor, (la deviazione
standard di un componente) di entrambi i componenti di rumore I e Q, ipotizzato come AWGN (Additive White Gaussian Noise). ? la fase iniziale. ? l?attenuazione di energia dovuta all?errore Doppler residuo (tra frequenza NCO di portante programmata F e il Doppler SV vero). Tc ? la durata di chip ed A l?ampiezza.
Per quanto riguarda la stima del rapporto portante/rumore Cn0, che pu? essere emesso tramite blocco 52 in figura 2, iniziando dai campioni in fase e quadratura, Ip e Qp, che sono disponibili ogni ms sul segnale Prompt, ? possibile accumulare la potenza della Banda larga PW e potenza della Banda stretta PN (rispettivamente a 1KHz e 50Hz) da cui pu? essere stimato il rapporto portante/rumore.
Ogni bit (ad es. ogni 20ms per caso GPS) essi si scrivono come
Della potenza della Banda larga PW e della potenza della Banda stretta PN ? calcolata la media su un numero Ndc di tempi/periodi consecutivi, tipicamente 10, ad es. 10 volte la lunghezza di bit di 20ms:
successivamente essi sono filtrati per la stabilit?
Le quantit? filtrate PWS,FILT, PNS,FILT sono utilizzate per ricavare il rapporto portante/rumore Cn0 per il canale agganciato a cui si riferiscono i campioni in fase e quadratura, Ip e Qp, con la seguente espressione:
Il denominatore della formula Cn0 ? chiamato Rumore di Fondo del Satellite N0 e la Potenza della Banda larga diminuita della potenza della Banda stretta divisa per la lunghezza di bit Nb.
Il suo valore, con media calcolata fra tutti i satelliti agganciati, ? chiamato Channel Noise Floor
I campioni di correlazione del Satellite in fase Ip e quadratura in fase Qp sono anche accumulati in modo incoerente, iniziando da una fase di bordo di bit valida, sulla lunghezza di bit per costruire quantit? accumulate corrispondenti Qsum20k e Isum20k, k essendo l?indice del bit, che sono successivamente mischiate tra bit consecutivi, ad es. k e k-1, per produrre le quantit? (Imixk , Qmixk) corrispondenti alle informazioni di battito che sono utilizzate per rilevare una fase delta, o in modo equivalente un offset di frequenza, rispetto a quello gi? tracciato, ed aggiornare il valore di frequenza alla quale ? tracciato il satellite.
Facendo riferimento al caso GPS, con lunghezza di bit 20ms, senza perdita di generalit?, ? possibile ricavare la regola per l?aggiornamento di frequenza applicando in modo sequenziale le equazioni segnalate sotto:
dove L ? l?intervallo (ad es. 10 bit) nel quale alle quantit? del tasso di fase, cio? Atan2 (Qmixk, Imixk) ? calcolata la media per la decisione.
La metrica di qualit? per l?anello di frequenza ? il rumore di fase Ph di Tracciamento, che ? il residuo tra il tasso di fase ottenuto dalla misurazione della differenza di fase e sua media [valore previsto]. Essa ? espressa in milligradi e in condizioni nominali, allo stato stabile, dovrebbe stabilmente andare a zero per indicare il conseguimento di un tracciamento di frequenza completamente agganciato.
Ciascun i-esimo canale di tracciamento TRKi comprende di conseguenza, in un modo di per s? noto, un anello ad aggancio di frequenza ed anche un misuratore del rapporto portante/rumore, che stima il rapporto portante/rumore C/No, ad esempio ogni N (ad es. 10) periodi di accumulo dell?anello di frequenza del canale di tracciamento, dove quello coerente elementare ? legato dalla lunghezza di bit del segnale considerato, ad es. di 20 ms per il caso GPS L1/CA, ed allineato al 1<? >millisecondo del bit.
Il modulo di recupero di sottotrama 6, per mezzo di algoritmi appropriati, decodifica le diverse sottotrame ricevute formanti il messaggio di dati di navigazione. Il modulo di elaborazione di effemeridi e calcolo di pseudorange 7 immagazzina l?orbita satellitare, come dati di effemeridi, e calcola le distanze esistenti tra i satelliti e l?apparato ricevente 100: tali distanze sono chiamate pseudorange. Tramite questi valori calcolati, e il tempo per trasferire il segnale GPS, il modulo di calcolo di posizione del satellite 10 calcola le posizioni dei satelliti espresse da coordinate 3D, al momento della trasmissione.
Il modulo di predizione di orbita satellitare 8 pu? essere attivato per assistere il modulo di elaborazione di effemeridi e calcolo di pseudorange 7 e/o modulo di calcolo di posizione del satellite 10 quando i dati delle effemeridi non sono disponibili nell?apparato ricevente 100.
Il modulo di rilevamento del tipo di satellite 9 ? configurato per determinare il tipo del satellite tracciato e tramite esso il modello di pressione di radiazione solare da utilizzare nella predizione dell?orbita tramite il modulo di predizione di orbita satellitare 8, secondo modi che verranno descritti nel seguito come esempi. Il modulo di rilevamento del tipo di satellite 9 permette di determinare il tipo di satellite al fine di selezionare il modello di pressione di radiazione solare che meglio prevede la forma, massa e dimensione di un satellite.
In questa forma di attuazione, il modulo di calcolo di posizione del satellite 10 opera sul tempo per trasferire il segnale GPS insieme al tempo di ricezione (noto per via di un orologio o clock all?interno dell?apparato ricevente 100). Il modulo di calcolo di posizione del satellite 10 opera al fine di valutare quanto tempo ? richiesto al segnale da ciascun satellite per raggiungere l?apparato ricevente 100, valutando in questo modo la distanza dal satellite corrispondente (pseudorange).
Tramite un algoritmo di triangolazione, il modulo di calcolo della posizione d?utente 11 calcola la posizione dell?apparato ricevente 100 basandosi sulle distanze dell?apparato ricevente 100 preferibilmente da almeno quattro satelliti e basandosi sulle posizioni degli stessi satelliti, note in questo stadio di elaborazione. Nel seguito, la posizione dell?apparato ricevente 100 (coincidente praticamente con la posizione d?utente) verr? chiamata ?fix?.
Come menzionato, il modulo di tracciamento 5 comprende una pluralit? di canali, cio? blocchi di correlazione di tracciamento solitamente lasciati lavorare in parallelo ciascuno sintonizzato su un codice PRN satellitare e frequenza diversi, fra quelli precedentemente identificati dal blocco di acquisizione 4, con l'obiettivo di confermare o eventualmente scartare l'ipotesi di acquisizione per ognuno di essi. Per i satelliti confermati, dopo una rifinitura di avvio del codice e frequenza inizialmente forniti dal blocco di acquisizione, ha inizio la fase di tracciamento agganciata. Essa consiste nel seguire rigidamente l?offset di frequenza (velocit?) e la fase di codice (distanza) del veicolo satellitare che viene analizzato e nel demodulare la posizione e informazioni temporali incorporati nel suo flusso di bit. Queste informazioni sono successivamente fornite ad un Filtro di Kalman per triangolare la posizione del ricevitore.
Il canale di tracciamento come menzionato comprende un correlatore che comprende un generatore di sequenza ritardata PRN (rumore pseudocasuale). I segnali GNSS ricevuti nel ricevitore comprendono un codice di ranging modulato nella portante, anche chiamato codice di Rumore Pseudocasuale (PRN), che diffonde lo spettro e consente il reperimento di informazioni di ranging. Quindi, ? richiesto che il canale di tracciamento comprenda un generatore di sequenza ritardata PRN, che generi sequenze PRN che sono anticipate, puntuali o ritardate le une rispetto alle altre per eseguire la correlazione con i codici di ranging.
La soluzione qui descritta in breve si riferisce ad un procedimento per rilevare lo spoofing in un ricevitore GNSS (Global Navigation Satellite System) che monitora i segnali satellitari ricevuti, ad es. s0,?,sNS-1 da uno o pi? satelliti S0-SNS-1, propriet? statistiche e li confronta con quello previsto, in particolare con valori di soglia determinati. Di conseguenza, la soluzione qui descritta identifica l?attacco di spoofing nel momento in cui esso inizia a monitorare le propriet? statistiche di segnali satellitari e li confronta con quelli previsti.
Il procedimento comprende controllare propriet? statistiche di segnali satellitari in contrapposizione a quelli previsti, eseguire un controllo congiunto sulle quantit? ricavate da tali propriet? statistiche per rivelare l?attacco di spoofing appena tali quantit? divergono nello stesso tempo da quelle previste.
In particolare, il procedimento comprende:
- controllare un Valore del Rumore di fondo, o Noise Floor, del satellite, cio? il denominatore N0 di una figura di merito di un rapporto portante/rumore per l?i-esimo
satellite/segnale tracciato si, cio? N0i, in contrapposizione al rumore di canale medio disponibile sul canale di comunicazione valutando tale rumore medio
su tutti i satelliti tracciati S0-SNS-1 tramite un filtro a media mobile quando si aggiorna il rapporto portante/rumore
per ciascun satellite. In altre parole, sono presi i
valori dei denominatori N0 della figura di merito del rapporto portante/rumore di ciascun segnale satellitare,
ad es. s0,?,sNS-1, ad esempio su un dato periodo di accumulo ed ? calcolato il valore medio di tali valori dei denominatori N0, cio? N00,?,N0NS-1. Il filtro a media mobile pu? essere un filtro che esegue una regolarizzazione che converge verso un valore medio fra i denominatori N0, cio? N00,?,N0NS-1, che sono in condizioni solite in ogni modo allineati;
- controllare un Rumore di Fase Ph di Tracciamento rispetto ad una figura di merito indicante il buon funzionamento del canale di tracciamento per i valori del rapporto portante/rumore di interesse nell?applicazione, ad es. un valore di soglia del rumore di fase, che pu? essere diverso per valori diversi del rapporto portante/rumore
Un controllo congiunto ? successivamente applicato su tali quantit?, Valore del Rumore di Fondo del satellite e Rumore di Fase Ph di Tracciamento, in particolare ad un dato rapporto portante/rumore per rilevare l?attacco di
spoofing appena essi divergono nello stesso tempo da quelli previsti.
La soluzione si basa sull?osservazione della presenza di entrambi i segnali genuini e di spoofing nei dati ricevuti nello stesso tempo quando ha luogo l?attacco di spoofing. Nel momento in cui ha luogo l?attacco l?anello di tracciamento del satellite si sposta verso lo spoofing lasciando nel frattempo il segnale genuino nella larghezza di banda del rumore di tracciamento.
Ci? fa s? che la parte del denominatore, rumore N0, della formula rapporto portante/rumore sia aumentata
dalla parte del numeratore, cio? segnale portante C, del segnale genuino, che, per via dei segnali di spoofing che vengono tracciati dal corrispondente canale di tracciamento, ? presente, ma non pi? tracciata dal suo canale di tracciamento. Quindi, il segnale satellitare genuino ? considerato come rumore N0 nella formula quando ha inizio l?attacco di spoofing, portando ad un aumento del rumore N0.
Inoltre, il rumore dell?anello di frequenza ? influenzato dalla presenza imprevista di due portanti, cio? la portante del segnale satellitare genuino e la portante del segnale di spoofing, e dal fatto che l?anello di frequenza si sposta improvvisamente verso la frequenza di spoofing del segnale di spoofing mentre il segnale genuino viene trattato come fluttuazione casuale non recuperata che aumenta il rumore di frequenza. In condizioni nominali, ad es. senza spoofing, un forte segnale satellitare non esibisce un rumore di frequenza enorme rispetto a come ? invece successo in un attacco di spoofing nella fase di transizione dell?anello dal segnale genuino al segnale di spoofing.
Con riferimento al modello di segnale del segnale ricevuto x(k) e all?equazione del rapporto portante/rumore Cn0:
il Rumore di Fondo e il Rumore Satellitare in condizioni nominali sono allineati poich? il primo ? una versione filtrata dell?ultimo.
In un attacco di spoofing il modello di segnale sinora segnalato non regge pi? poich? lo spoofer si sovrappone al segnale genuino.
Il modello di segnale ricevuto pu? essere aggiornato considerando entrambi nello stesso tempo:
x(k)=s(k) g(k)+ w
dove il segnale sottoposto a spoofing ? s(k) ed ? s(k)=
mentre il segnale genuino g(k) ?
g(k)=
mentre il rumore ?
A1 e A2 sono le ampiezze del segnale sottoposto a spoofing e segnale genuino, f1 e f2 le rispettive frequenze.
L?attacco di spoofing si affida a passi sequenziali:
- sincronizzazione silenziosa iniziale su genuino (A1 <<A2, f1= f2). Sebbene presente lo spoofer non agisce ancora;
- aumento di potenza per catturare il controllo del canale (A2 >> A1, f1 = f2). Vi ? una tipica separazione di 6dB (quattro volte l?ampiezza);
- divergenza di traiettoria tramite frequenza per spostare lontano la posizione (A2 >> A1 f1 != f2). Quando la divergenza di traiettoria ? a posto il canale di tracciamento si aggancia ad una frequenza f1 != f2 (genuina) ma almeno nei primi secondi dell?attacco |f1-f2| ? all?interno del range di presa della formula cn0 (1KHz per la potenza a banda larga
La soluzione qui descritta prevede di conseguenza che nel ricevitore durante una procedura di tracciamento di un canale di tracciamento siano eseguiti periodicamente i passi del procedimento per rilevare lo spoofing in un ricevitore GNSS (Global Navigation Satellite System) qui descritto che, nelle forme di attuazione, possono comprendere:
ricevere almeno un segnale satellitare si, acquisire detto segnale satellitare si come segnale ricevuto,
ricevere detto segnale ricevuto in almeno un canale di tracciamento TRKi comprendente un anello di frequenza che traccia una frequenza portante del segnale satellitare si, in cui il procedimento comprende, durante detto tracciamento,
- ottenere un valore del rumore di fondo del satellite N0 come rumore del canale di tracciamento TRKi,
- ottenere un rumore di canale medio calcolato su
tutti i segnali satellitari s0,?,sNS-1 che sono tracciati nel ricevitore 100
- ottenere un rapporto R del valore del rumore di fondo del satellite N0 rispetto al rumore di canale medio ,
- confrontare il rapporto R con una soglia di rapporto Rth,
- ottenere un rumore di fase Ph di tracciamento del satellite,
- confrontare il rumore di fase Ph di tracciamento del satellite con una soglia del rumore di fase Phth;
se entrambi detto rapporto R e Rumore di Fase Ph di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie Rth, Phth, segnalare, in particolare impostando un flag di rilevamento SD, il rilevamento di un segnale sottoposto a spoofing su tale canale di tracciamento TRKi.
Eseguire periodicamente nel ricevitore durante una procedura di tracciamento di un canale di tracciamento i passi del procedimento per rilevare lo spoofing in un GNSS nelle forme di attuazione, ad esempio, pu? comprendere il fatto che i passi del procedimento siano eseguiti alla fine di ogni N anelli di tracciamento, in particolare ? aggiornato il rapporto portante/rumore, ad es. N=10 x 20ms = 200ms ? il periodo in cui sono eseguiti i passi del procedimento.
Il procedimento qui descritto ha il vantaggio rilevante che pu? essere applicato ad ogni canale RF e tipo di segnale (entrambi di eredit? L1 e nuovi L2 e L5). Esso offre quindi un meccanismo di rilevamento parallelo antispoofing completo ?su tutti i canali e percorsi?
In figura 3 ? mostrato un diagramma di flusso di una procedura di controllo della forma di attuazione 100 del procedimento qui descritto che comprende, in un passo 110 ottenere il rumore di fondo medio del canale Il rumore
di fondo, o noise floor, ? la misura del segnale creato dalla somma di tutte le fonti di rumore e segnali indesiderati all?interno di un sistema di misurazione, dove il rumore ? definito come qualsiasi segnale diverso da quello che viene monitorato. Il rumore di fondo medio del canale o channel average noise floor, ? un parametro
valutato fra tutti i satelliti tracciati tramite un filtro a media mobile quando si aggiorna il rapporto portante/rumore per ogni satellite.
In un passo 120, che pu? essere eseguito nello stesso tempo, prima o dopo il passo 110, ? eseguito l?ottenimento del Rumore di Fondo del Satellite N0, cio? il denominatore del rapporto portante/rumore C/N0 misurato nel canale di tracciamento su un periodo determinato.
In un passo 130 ? calcolato un rapporto R tra il Rumore di Fondo del Satellite N0 e il rumore di fondo medio del canale come R= Come menzionato, come in un
canale di tracciamento TRKi il rumore di fondo ? qualsiasi segnale oltre al segnale che viene tracciato dal suo anello di frequenza. In una condizione normale, il segnale tracciato ? l?i-esimo segnale satellitare si che viene tracciato, durante un attacco il segnale tracciato diventa il segnale di spoofing di conseguenza il segnale satellitare si ? calcolato nel Rumore di Fondo del Satellite N0. Questo, nel caso di attacco, determina di conseguenza un aumento del rapporto R tra il Rumore di Fondo del Satellite N0 e il rumore di fondo medio del canale .
In un passo 140 ? quindi controllato se detto rapporto R ? maggiore di un rapporto di soglia Rth, cio? ? controllato se l?aumento del rapporto R dovuto all?aumento del rumore di fondo del satellite N0 ? al di sopra di un livello che, quando superato, si prevede che corrisponda alla presenza di un segnale di spoofing.
Come menzionato, il Rumore di Fondo del Satellite N0 e il rumore di fondo medio del canale sono ottenuti ad
esempio dalle misurazioni del rapporto portante/rumore disponibile in ogni canale di tracciamento, dove il Rumore di Fondo del Satellite N0 ? un ingresso generico nel rumore di fondo medio che ad esempio ? una versione filtrata
della versione del Rumore di fondo del Satellite, essendo tale filtraggio eseguito calcolando la media del rumore fornito da tutti i satelliti che sono tracciati e non sottoposti a spoofing.
In un passo 150 ? eseguito l?ottenimento di un rumore di fase Ph di tracciamento del satellite, che ? misurato nell?anello di frequenza del canale di tracciamento TRKi. Questo passo pu? essere eseguito nello stesso tempo, durante, prima o dopo i passi 110-140.
In un passo 160 ? controllato se tale rumore di fase Ph di tracciamento del satellite ? maggiore di una soglia del rumore di fase Phth. Come menzionato, il rumore dell?anello di frequenza ? influenzato dalla presenza imprevista della portante del segnale satellitare genuino si e della portante del segnale di spoofing, e dal movimento improvviso dell?anello di frequenza verso la frequenza di spoofing del segnale di spoofing. Senza spoofing, un forte segnale satellitare non esibisce un rumore di frequenza enorme rispetto invece a come ? successo in un attacco di spoofing nella fase di transizione dell?anello dal segnale genuino al segnale di spoofing, quindi la soglia del rumore di fase Phth ? definita sulla base del rumore previsto senza spoofing nel canale di tracciamento TRKi.
In un passo 170 ? eseguito un controllo congiunto delle quantit? misurate, cio?, ? controllato se entrambi i passi di controllo 140 e 160 sono affermativi, cio? se entrambi detto rapporto R e rumore di fase Ph di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie Rth, Phth. In maniera affermativa ? sollevato un flag di rilevamento del segnale di spoofing SD, ad es. impostato sulla logica uno dalla logica zero. Tale flag di rilevamento del segnale di spoofing SD ? impostato ed ? inoltrato ad un modulo che controlla lo strato di integrit? superiore del funzionamento del ricevitore, solitamente compreso nello stesso ricevitore, ad esempio, un modulo SIS [strato di sistema dell?Integrit? del Segnale]. Tale modulo ? responsabile di mettere in quarantena il canale di tracciamento TRKi che ? stato sottoposto a spoofing e di sollevare un allarme di spoofing generale, in particolare per mettere in quarantena tali segnali in un intervallo di tempo predefinito. L?elenco della Quarantena evita di utilizzare segnali sottoposti a spoofing per il posizionamento ed impedisce una convergenza verso una posizione sbagliata.
La soluzione qui descritta, poich? essa opera nel dominio della Frequenza del Canale, pu? essere facilmente integrata con un altro meccanismo di rilevamento di spoofing che opera sul dominio del codice, cio? con una soluzione che monitora i valori di correlazione del banco di correlatori nel canale di tracciamento.
In figure 4A-4C sono mostrati diagrammi che rappresentano risultati di test della soluzione. In tali diagrammi ? applicato un segnale di spoofing SS sulla traiettoria, applicando un salto di 200Hz di frequenza, dalla frequenza del segnale satellitare alla frequenza del segnale di spoofing, e 2Km in posizione.
Le coordinate di codice/frequenza sono spostate in modo artificiale, ed ? innescata la riacquisizione e perdita di tracciamento del satellite.
In figura 4A ? mostrato il rumore di fase Ph sull?asse verticale e il rapporto R sull?asse orizzontale. I cerchi indicano lo spoofing. Come si pu? vedere, su un dato valore (soglie Rth, Phth) su ciascun asse il rilevamento congiunto di valori indica lo spoofing.
In figura 4B ? mostrato un diagramma temporale, che mostra il rapporto portante/rumore Cn0 in funzione di una quantit? di tempo, epoche tracciate, e in figura 4C ? mostrato il tempo agganciato in secondi, anche in funzione di una quantit? di tempo, epoche tracciate. Come si pu? vedere, i cerchi indicanti lo spoofing indicano i tempi nei quali ? innescata la riacquisizione e perdita di tracciamento del satellite.
Le soluzioni qui descritte hanno di conseguenza vantaggi significativi rispetto alle soluzioni note.
Vantaggiosamente la soluzione qui descritta tramite l?adozione di una procedura, implementata tramite software, che si affida solamente ad una divergenza statistica fra le quantit? sottoposte a spoofing e previste (Rumore del segnale C/N0 ed anello di frequenza) estende la capacit? di rilevamento dello spoofing ad ogni canale RF (L1-L2-L5) senza alcuna limitazione e consente di soddisfare le aspettative del cliente ben oltre le contromisure disponibili.
Naturalmente, senza pregiudizio per il principio dell?invenzione, i dettagli di costruzione e le forme di attuazione possono variare notevolmente rispetto a ci? che ? stato qui descritto ed illustrato puramente a titolo di esempio, senza cos? discostarsi dall?ambito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni conseguenti.
L?apparecchiatura ricevente pu? inviare l?avviso di rilevamento ad un processore host di un sistema di guida autonoma o di un altro sistema di navigazione che sfrutta tale apparecchiatura ricevente GNSS.
In forme di attuazione variabili, invece del rumore di fondo medio, cio? rumore di canale medio, , ottenuto
come un valore medio di valori del rumore di fondo provenienti da altri canali di tracciamento satellitare, pu? essere utilizzato un rumore medio di riferimento ,
valutato all?interno dello stesso tracciamento di canale TRKi utilizzando correlatori supplementari che sono lasciati integrati per la lunghezza di chip Tc ed una frequenza Doppler diversa (ad es. sempre in corrispondenza di coordinate sebbene estremamente lontano dalla frequenza Doppler del segnale genuino). Tale correlazione produce un rapporto portante/rumore a ?valore zero? autonomo Cn0 (solo rumore) il cui denominatore, che rappresenta un valore del Rumore di fondo del Satellite N0 per quella correlazione supplementare, pu? essere utilizzato come ?riferimento pulito? autonomo anche sotto attacco e permette il modo di rilevamento auto-contenuto.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per rilevare spoofing in un ricevitore GNSS (100), comprendente ricevere almeno un segnale satellitare (si), acquisire detto segnale satellitare (si) come segnale ricevuto, ricevere detto segnale ricevuto in almeno un canale di tracciamento (TRKi) comprendente un anello di frequenza (51, 52, 53) che traccia una frequenza portante del segnale satellitare (si), in cui detto procedimento comprende, durante detto tracciamento, - ottenere (110) un valore del rumore di fondo del satellite (N0) come rumore del canale di tracciamento (TRKi), - confrontare detto valore del rumore di fondo del satellite (N0) con una soglia di rumore (Nth) - ottenere un Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite - confrontare il Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite con una soglia del rumore di fase (Phth); - se entrambi detto valore del rumore di fondo del satellite (N0) e Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie (Nth, Phth), segnalare (SD) il rilevamento di un segnale sottoposto a spoofing su detto canale di tracciamento.
- 2. Procedimento per rilevare spoofing in un ricevitore GNSS (100) secondo la rivendicazione 1 in cui detto procedimento comprende, durante detto tracciamento, - ottenere (110) un valore del rumore di fondo del satellite (N0) come rumore del canale di tracciamento (TRKi), - ottenere (120) un valore del rumore di fondo di riferimento, in particolare un rumore di canale medio calcolato come media dei valori di fondo del rumore su tutti i segnali satellitari (s0,?,sNS- 1) che vengono tracciati; - ottenere un rapporto (R) del valore del rumore di fondo del satellite (N0) rispetto al valore di fondo del rumore di riferimento, in particolare rumore di canale medio- confrontare detto rapporto (R) con una soglia di rapporto (Rth) - ottenere un Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite - confrontare il Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite con una soglia del rumore di fase (Phth); - se entrambi detto rapporto (R) e Rumore di Fase (Ph) di tracciamento del satellite sono al di sopra delle rispettive soglie (Rth, Phth), segnalare (SD) il rilevamento di un segnale sottoposto a spoofing su detto canale di tracciamento.
- 3. Procedimento secondo la Rivendicazione 3, in cui detto valore di fondo del rumore di riferimento ? calcolato nel canale di tracciamento (TRKi) utilizzando correlatori che si integrano su una lunghezza di chip (Tc) e ad una frequenza Doppler diversa rispetto a detto anello di tracciamento di frequenza.
- 4. Procedimento secondo la Rivendicazione 1 o 2, in cui detto segnalare (SD) il rilevamento di un segnale sottoposto a spoofing su detto canale di tracciamento comprende impostare un flag ed inoltrare detto flag ad un modulo che controlla lo strato di integrit? superiore del funzionamento del ricevitore, in particolare per mettere in quarantena il segnale sottoposto a spoofing in un intervallo di tempo predefinito.
- 5. Procedimento secondo la Rivendicazione 1 o 2, in cui detto modulo che controlla lo strato di integrit? superiore del funzionamento del ricevitore invia un avviso di rilevamento ad un processore host di un sistema di guida autonoma o di un altro sistema di navigazione che sfrutta tale apparecchiatura ricevente GNSS.
- 6. Apparecchiatura ricevente configurata per eseguire il procedimento secondo qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5.
- 7. Prodotto informatico direttamente caricabile nella memoria interna di un computer digitale, comprendente porzioni di codice software per eseguire i passi del procedimento secondo qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3.
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