JP5145039B2 - スプーフィングによる信号の矛盾の検出器 - Google Patents
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Description
は、aから無線航法信号nmの無線送信機rmへの見通し(Line of sight: LOS)の単位ベクトルとする。rmそれぞれの位置
は、データベースの中に記憶されているか、航法信号と共に発信されるか、あるいは両方の何らかの組み合わせにより既知である。
aにおいて観測される信号nmの値の測定値をスカラー
とする。この信号値は、信号により伝達される航法情報(たとえば、距離、擬似距離、位相、またはタイミング情報)を量子化したもので、これらは全て実質的には座標軸x,y,zという基本空間単位に尺度付けられる。この測定
のaの位置の航法推定に対する寄与は、等式
によって特徴付けられる。この等式は、
(等式1)に変形できる。測定が位相である場合には、等式には未知数の全周波と部分周波とが含まれ、すなわち、
(Iは整数)となる。n個の発信機からの十分な数の一連の測定値によりaの位置の解を得ることができる。
を有し、したがって事前の推定
が形成されていると考えられる。スプーファにより生成された偽りの測定
が信頼性を持つためには次の条件が満たされなければならない。その条件とは、
(等式2)で、
は事前の推定
における可能誤差の統計と、測定ノイズおよび測定の信憑性についての所望のレベルの確実性に関する統計とを考慮に入れたしきい値である。等式2のしきい値条件をパスすることに加え、スプーファが超えなければならないもう1つの障害がある。n個の発信機からの等式1の一連の測定は首尾一貫していなければならない。
を取り込んだ航法解の形成後の遡及推定を
とする。一連のn個の測定が首尾一貫していると見なすには、次の条件が満たされなければならない。その条件とは、
(等式3)で、しきい値
は、等式2におけるしきい値と同様の統計的な方法で計算される。スプーファは、スプーフィングの対象となる移動体を正確に追跡し、慎重に航法信号をシミュレートし、そして偽りの情報が正しい情報からそれる率を制御して、等式2および等式3の条件の順守性を確実にすることによって、全てのスプーフィング信号を1箇所から送信している場合でさえ成功する可能性がある。一般的な習慣として、誤った測定が受け入れられる事態を回避するため、航行解に組み込まれる測定に対しては、上述の等式2および等式3、またはそれらと同様の手段によるテストが適用される。
位置決定システムとそれらに用いられる技術については、少なくとも次の出版物を参照すればさらに情報を得ることができる。なお、これら出版物はそれぞれ、ここでの参照により全体が本発明に組み入れられるものとする。
SIDS(スプーフィングの信号の矛盾の検出)は、標準のテストの適用に加え、スプーフィング信号が予想されるLOSに沿って放射されず、空間中の複数の地点から観測された場合には、関連する計測は必然的に矛盾していることになる、という事実を利用している。
で表されるとする。アンテナ対(ai,aj)の中点
から無線航法信号nmの発信機
の位置までの見通しの単位ベクトルを
とする。
nmにより伝達される情報について、
で生成される計測値と
で生成される計測値との間の差をスカラー
と考える(特定の情報が位相である場合は、
は2つのアンテナ間の位相差、すなわち
である)。こうした種類の計測は、等式
(等式4)により一般化することができ、添え字(i,j, m)のユニークな組み合わせはそれぞれ1回の観測を表している。
同時SIDSの方法は、等式4によって特徴付けられ、図2に図示されるような同時観測値の組を一貫性に関して分析するものである。同時SIDSには、空間中の2つの地点において観測が同時になされるよう物理的なアンテナ対が少なくとも1対存在する必要がある。この文脈において、同時という言葉は、複数の測定の間のいかなる時間のずれも工程中に補償されるか、あるいは、補償されなくても工程の全体的な結果に重大な影響を及ぼさない、という意味で理解されるべきである。許容できる時間のずれの厳密な範囲は、実装時の仕様である。この点をさらに詳述するため、以下の状況を考える。その状況とは、(a)受信および発信アンテナの相対速度はゼロであり、(b)発信機の周波数は完全に安定かつ既知であり、(c)各測定が行われた時間は既知であり、(d)他に一時的誤差原因がなかった、というものである。こうした場合には、多くの秒差を空けて行われた位相差測定も同時と見なすことができるだろう。なぜなら、時間差を位相変化に変換し直し、そうして前記時間差の影響を取り除くことができるからである。適切な誤報率の設定を別にすれば、スプーフィング信号の検知の確率はSIDSの有効性に左右される。
)、(b)
の測定におけるノイズ、(c)
それぞれの推定における不確実性、そして(d)
の認識における不確実性(
の推定が
および
から引き出されることによるもの)、である。
は航法信号であるため、信号のノイズは航法作業にとって不都合のないものであると考えられる。最後に、信号を航法信号のために使用するのに必要な信号特性も既知であると考えられる(たとえば、位相測定が利用される場合は、周波数や変調は既知であると考えられる)。
の推定における不確実性であり、
は次の3つの成分要素を有すると考えられる。それら要素とは、(1)大きさ
(既知であると考えられる)、(2)単位ベクトル
により特定される方向、そして(3)
によって特定される位置、である。
測定が位相領域で行われる場合は複雑な問題がある。アンテナ基線対キャリア波長の大きさ
によっては、
となるような多値の
があり得る。すなわち、スプーフィング測定値と本物の測定値とを区別できない。他の複数の航海情報源からの測定により、スプーフィングの進行が明らかになるかもしれないが、現時点のあいまい性の問題は具体的に解決されるわけではない。別のアンテナ対を使用すれば、課題となっているあいまい性の問題は殆ど確実に解決されるだろう。
3つ目の取り得る方法は、ジオメトリが変化するのを待つか、またはそれを変化させることである。ジオメトリが変化すると、矛盾は急速に観測可能になり、角度のあいまい性が大きくなれば、それだけシステムが矛盾を判別する力は高くなる。
を確立することができる。
は、スプーフィング発信機の方位(bearing)を示し、
の変化率を用いて距離を推定できる。
連続SIDSは、同時SIDSと同じ基本原理(すなわち、スプーファまでのLOS(見通し)と本物の情報源までの見通しとが同一線上にない場合、等式4により特徴付けられる一組の測定値の中に、アンテナ対が矛盾を観測するという事実)を利用している。同時SIDSは、2つのアンテナまたはアンテナ素子における同時期の測定値間の差異
に基づいている。連続SIDSは、同じアンテナにおいて時間tiと時間ti+1に行われた連続的な測定値間の差異
に基づいており、前記アンテナの位置は2回の測定の間に変化する。この一対のアンテナの位置は
と表示される。
と
との間でなされ、
はアンテナの位置の相対的な変化に関する慣性推定に基づいている点である。連続SIDSにおいては、
に関する合理的に正確な事前の知識があれば、スプーフィング信号を信号により検査することができる。スプーファがスプーフィング信号を同じ位置から複数回放射している場合は、検知の有効性は向上し、
に関する事前の知識の欠如による影響は小さくなる。アンテナの追跡誤差は、同じ位置からのスプーフィング信号全てに共通であり、相関した誤差を示す。前記関連誤差は、カルマンフィルタ(たとえば、米国特許文書5,583,774号で説明されたNorthrop Grumman社の特許取得AIMEtmフィルタを適切な形で機械化したバージョン)の仮説検証において特定できる。この機械化において、矛盾の性質はスプーフィング信号の実際の到着角に関連しており、したがってスプーファの方位の推定を行うことができる。この方位の変化率により、スプーファまでの距離の推定値が示される。
連続SIDSは、次の点で同時SIDSと異なる。それらの点とは、以下である。
(a)連続SIDSは、物理的なアンテナ対は必要とせず、単一のアンテナしか利用できない状態であっても使用できる。
(b)同時SIDSにより、完全なスプーフィング信号を失敗させることができる。なぜなら、スプーファが一貫性のある信号を別個のアンテナに送るには、本物の情報源へのLOSに沿って発信するしかないからである(そして、これは非実際的である)。連続SIDSはスプーファが完全でないことに基づいている。言い換えれば、連続SIDSは、スプーファがアンテナの電気的中点を厳密に追跡することはできないという点に依存している。
(c)同時SIDSはアンテナ間に同時に形成される差異を利用している。連続SIDSは同じアンテナにおいて時間を置いてなされた測定の間の差異を形成する。また、同時SIDSと連続SIDSとの両方で、ノイズの影響を減少させるためそうした時系列測定を利用することができる。
(d)同時SIDSにはアンテナの移動が必要ではない。一方、連続SIDSはアンテナの移動により生じるスプーフィングの誤差の検知に基づく方法である。
(e)同時SIDSにおいて、アンテナ対の指向方向は未知であってもよく、さらに観測を行うことで解決される。連続SIDSは、1つのアンテナの少なくとも2つの時点における相対位置についての事前の知識に基づいている。
本明細書に記載の実施の形態には複数の新規な特徴が含まれ、実施の形態はそれぞれ、そうした特徴を1つ、またはそうした特徴の複数の組み合わせを有する。ここまで説明してきたそうした組み合わせに加えて、他に考えられる実施の形態として、ここでは明確には説明していない1つまたは複数のそうした特徴のあらゆる組み合わせ(こうした組み合わせは、説明してきた実施の形態と容易に区別がつくものである)が挙げられる。以下の段落でそうした特徴のうちいくつかの例を示しながら、本発明について多くの形で特徴付けることができる。
SIDSは、信号のジオメトリにおける矛盾の検出によりスプーフィングの存在を発見するように設計されており、前記矛盾は、スプーファが一貫性のある信号を2つのアンテナの位置で同時に送り出すことができないという事実、または、スプーファが走行中の移動体のアンテナの電気的中点を、空間的な矛盾に関する検知を逃れるほど十分に正確な形で追跡できないという事実のために生じる。
(1)標準のしきい値テストモード
標準のしきい値テストモードでは、先述したように、信号値に関する事前の推定および遡及推定を、測定された信号値と比較する。
(2)同時モード
同時モードでは、アンテナ対またはアンテナ素子同士の間の信号値の相対的差異の推定が、統計的に適切な識別しきい値と比較される。航法システムの知識の状態により、識別には、別個の同時測定を1回または複数回行うことが必要だろう。望ましい最大誤報率は保ちつつ、ノイズを減らすと共に、検出の可能性を向上させるには、時系列の複数の測定値セットを用いればよく、各測定値セットは、1つまたは複数の航法信号について、および/あるいは1つまたは複数のアンテナ対によって行われた同時測定値から成る。
連続モードでは、1つのアンテナにより2つの空間・時間的地点で連続的に観測された信号値の相対的差異の推定が、IRSといった別個の情報源により推定される相対的差異と比較される。望ましい最大誤報率は保ちつつ、ノイズを減らすと共に、検出の可能性を向上させるには、時系列の複数の測定値セットを用いればよく、各測定値セットは、1つまたは複数の航法信号について同時に行われた連続的な測定が含まれる。
利用可能なアンテナの構造が許すのであれば、以上の3つのモードを同時に組み合わせてSIDSを作用させることができる。
Claims (9)
- 空間中の複数の地点において受信された信号の矛盾を利用してスプーフィングを検出する装置であって、
複数の航法情報源から発信される信号それぞれに関し、空間中の第1の地点で受信された信号の値と空間中の第2の地点で受信された信号の値との間の差異PHIを距離、疑似距離、時間、あるいは位相として特定し、
前記複数の航法情報源から発信される信号がそれぞれ含んでいる航法情報源の位置と、1の航法情報源を除く前記複数の航法情報源から発信される信号に関する前記差異PHIとを用いて、前記1の航法情報源から発信される信号に関して前記第1の地点で受信される信号の値と前記第2の地点で受信される信号の値との間の差異の予想値PHIを算出し、
前記1の航法情報源から発信される信号に関し、前記特定された差異PHIと前記差異の予想値PHIとの差分が、あらかじめ決められたしきい値より大きい場合は、スプーフィングが存在すると判断すること、
を特徴とする装置。 - 無線航法受信機が組み込まれていること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 無線航法受信機は、衛星位置決めシステムの受信機であること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - スプーフィングが検出されたことの明らかな情報源の距離と方位とを特定すること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 複数のアンテナまたはアンテナ素子を用いて、アンテナまたはアンテナ素子の利用可能な全ての対のサブセットのそれぞれの対において測定された信号値の間の各差異PHIが同時に特定され、前記アンテナまたはアンテナ素子同士の距離間隔の大きさは既知であること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 測定された少なくとも1つの航法記号の情報源の位置を、情報源の想定された位置と比較することでスプーフィングを検出し、想定された位置はシステムに記憶されたエフェメリスデータから特定されること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 複数の航法信号情報源のサブセットに対する相対的な見通し(lines of sight)を特定し、装置の少なくとも1つの受信アンテナ位置の合理的な推定と相対的な見通しのパターンとが矛盾することを観測してスプーフィングが実行中であると推測すること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 通常は同じ位置にはない情報源から発信される複数の航法信号が、1つまたは複数の同じ位置にある情報源から発信されたと見られる場合に、スプーフィングを検出すること、
を特徴とする請求項1に記載の装置。 - 複数の航法情報源から発信される信号それぞれに関し、空間中の第1の地点で受信された信号の値と空間中の第2の地点で受信された信号の値との間の差異PHIを距離、疑似距離、時間、あるいは位相として特定し、
前記複数の航法情報源から発信される信号がそれぞれ含んでいる航法情報源の位置と、1の航法情報源を除く前記複数の航法情報源から発信される信号に関する前記差異PHIとを用いて、前記1の航法情報源から発信される信号に関して前記第1の地点で受信される信号の値と前記第2の地点で受信される信号の値との間の差異の予想値PHIを算出し、
前記1の航法情報源から発信される信号に関し、前記特定された差異PHIと前記差異の予想値PHIとの差分が、あらかじめ決められたしきい値より大きい場合は、スプーフィングが存在すると判断するスプーフィングの検出装置の動作方法であって、
前記第1の地点で受信するための第1のアンテナと前記第2の地点で受信するための第2のアンテナとを用いて前記差異を同時に特定し、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナの距離間隔が既知である動作である同時SIDSと、
前記第1の地点と前記第2の地点とで同一のアンテナを用い、慣性基準装置でアンテナの移動を追跡する動作である連続SIDSと
を含み、
前記同時SIDSと前記連続SIDSのいずれか一方または両方を用いる
ことを特徴とするスプーフィング検出方法。
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