TWI776463B

TWI776463B - 全球導航衛星系統積體電路及相關的通訊系統

Info

Publication number: TWI776463B
Application number: TW110113144A
Authority: TW
Inventors: 毛仁豪; 蘇梓喬; 吳奕蓉
Original assignee: 達發科技股份有限公司
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-09-01
Also published as: TW202240204A

Abstract

本發明涉及一種全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)積體電路。GNSS積體電路包括GNSS模組、記憶體以及處理器。GNSS模組用以接收待辨識廣播GNSS訊號。記憶體用以儲存多個候選星曆輔助資料，其中多個候選星曆輔助資料非由GNSS模組提供。處理器用以基於多個候選星曆輔助資料中的參考星曆輔助資料判斷待辨識廣播GNSS訊號是否為欺騙訊號。

Description

全球導航衛星系統積體電路及相關的通訊系統

本發明係有關一種全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)積體電路，尤其是一種可識別欺騙訊號的GNSS積體電路及通訊系統。

現今，全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)的應用變的廣泛。舉例來說，電子裝置可利用GNSS進行定位。然而，一旦電子裝置受到來自惡意第三方的欺騙訊號攻擊時，將導致電子裝置的定位結果不同於電子裝置的真實位置。現有的訊號辨識方法仍存在缺陷。因此，在不大幅增加設計成本的情況下，完善欺騙訊號的識別能力已成為本領域急需解決的問題之一。

有鑑於此，本申請的目的之一在於公開一種GNSS積體電路及通訊系統，來解決上述問題。

本申請的一實施例公開了一種全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)積體電路。GNSS積體電路包括GNSS模組、記憶體以及處理器。GNSS模組用以接收待辨識廣播GNSS訊號。記憶體用以儲存多個候選星曆輔助資料，其中多個候選星曆輔助資料非由GNSS模組提供。處理器用以基於多個候選星曆輔助資料中的參考星曆輔助資料判斷待辨識廣播GNSS訊號是否為欺騙訊號。

本申請的一實施例公開了一種通訊系統。所述通訊系統包括前述的 GNSS積體電路、前述的非GNSS收發器以及天線。前述的非GNSS收發器用以提供所述多個候選星曆輔助資料給所述GNSS積體電路。所述天線耦接於所述GNSS積體電路。

本申請所公開的GNSS積體電路及通訊系統不以GNSS訊號的星曆資料為參考資訊來識別欺騙訊號，相反地係以儲存在GNSS積體電路的星曆輔助資料。如此一來，可防止所述GNSS訊號係由惡意第三方提供而使所述參考資訊不再具有識別效果的情況。因此，能夠有效地判斷出是否受到欺騙訊號的攻擊。

10:電子裝置

16:衛星

18:攻擊者

20:GNSS積體電路

22:天線

24:非GNSS接收器

40:識別與定位方法

50:識別與定位方法

60:識別與定位方法

100:通訊系統

120:待辨識廣播GNSS訊號

160:廣播GNSS訊號

180:欺騙訊號

200:記憶體

202:候選星曆輔助資料

220:GNSS模組

240:實時時鐘

260:傳輸介面

280:處理器

400~414:操作

500~502:操作

600~618:操作

圖1為本申請的應用了全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的電子裝置進行定位的示意圖。

圖2為本申請的圖1的通訊系統的方塊示意圖。

圖3A為本申請的包括多個候選星曆輔助資料的資料封包的資料格式的示意圖。

圖3B為本申請的圖3A的15天中特定一天的資料格式的示意圖。

圖3C為本申請的圖3B的四個區段中特定一個區段的資料格式的示意圖。

圖3D為本申請的圖3C的三十二個衛星的資料中特定一個衛星的資料的資料格式的示意圖。

圖4為本申請的識別與定位方法的流程圖。

圖5為本申請的另一識別與定位方法的流程圖。

圖6為本申請的又另一識別與定位方法的流程圖。

以下說明為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。

必須了解的是，使用於本說明書中的”包含”、”包括”等詞，用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。

於權利要求中使用如”第一”、”第二”、”第三”等詞是用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先順序，前置關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。

必須了解的是，當元件描述為”連接”或”耦接”至另一元件時，可以是直接連結、或耦接至其他元件，可能出現中間元件。相反地，當元件描述為”直接連接”或”直接耦接”至另一元件時，其中不存在任何中間元件。使用來描述元件之間關係的其他語詞也可類似方式解讀，例如”介於”相對於”直接介於”，或者是”鄰接”相對於”直接鄰接”等等。

圖1為本申請的應用了全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的電子裝置10進行定位的示意圖。GNSS包括，但不限於，全球定位系統(global positioning system，GPS)、格洛納斯系統(global navigation satellite system，GLONASS)、北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)、伽利略定位系統(Galileo)、印度區域導航衛星系統(navigation with Indian constellation，NAVIC)或準天頂衛星定位系統(Quasi-Zenith satellite system，QZSS)。電子裝置10例如是穿戴式裝置。穿戴式裝置包括，但不限於，智慧錶或智慧手環。

參考圖1，電子裝置10接收待辨識廣播GNSS訊號120，並基於可靠來源所提供的星曆輔助資料判斷待辨識廣播GNSS訊號120是來自衛星16的廣播GNSS訊號160或來自攻擊者18的欺騙訊號180。在一些實施例中，可靠來源是聯發科(MTK)網路伺服器，而星曆輔助資料是延伸預測軌道(extended prediction orbit，EPO)資料，但本揭露不限定於此。在其他實施例中，可靠來源可以是MTK網路伺服器以外的可信賴網站。

由於星曆輔助資料是相對易於取得的資訊，因此基於星曆輔助資料來識別是否受到攻擊不會顯著地增加設計成本。

在現有的識別方式中，無論是軟體識別方式或是硬體識別方式，都相對地複雜而導致相對多的設計成本，說明如下。

軟體方式例如包括：(a)使用加密認證(cryptographic authentication)機制來識別是否受到攻擊；以及，(b)基於先接收的GNSS訊號與後接收的GNSS訊號之間的差異來識別是否受到攻擊。舉例來說，先接收的GNSS訊號是來自於衛星，因衛星與GNSS接收器之間的距離相對遠，故需要相對大的增益來放大GNSS訊號。後接收的GNSS訊號是來自於攻擊者，因攻擊者與GNSS接收器之間的距離相對近，故需要相對小的增益來放大GNSS訊號。增益的大小是通過自動增益控制(automatic gain control)來完成。基於自動增益控制的變化，可至少能夠識別出後接收的GNSS訊號非來自衛星，進而可推測出後接收的GNSS訊號可能來自攻擊者。基於類似的原理，可藉由雜訊底(noise floor)、運行衛星數量、波峰品質或導航訊息來識別是否受到攻擊。

硬體方式例如包括：(a)使用天線陣列來識別是否受到攻擊，進一步來說，因為來自攻擊者的欺騙訊號進入天線陣列的角度本質上小於來自衛星的廣播GNSS訊號進入天線陣列的角度，可基於角度差異來識別是否受到攻擊；以及，(b)通過移動GNSS接收器來識別是否受到攻擊，進一步來說，GNSS接收器移動前後所定到的位置應不相同，若相同，則代表可能受到攻擊。

當電子裝置10的通訊系統100判斷出待辨識廣播GNSS訊號120是來自於衛星16的廣播GNSS訊號160時，電子裝置10的通訊系統100基於廣播GNSS訊號160進行定位；相對的，當電子裝置10的通訊系統 100判斷出待辨識廣播GNSS訊號120是來自於攻擊者18的欺騙訊號180時，電子裝置10的通訊系統100基於可靠來源所提供的星曆輔助資料進行定位，其將詳細說明如下。

圖2為本申請的圖1的通訊系統100的方塊示意圖。參考圖2，通訊系統100包括GNSS積體電路20、天線22及非GNSS接收器24。

非GNSS接收器24耦接於GNSS積體電路20，用以從可靠來源接收包括多個候選星曆輔助資料202的資料封包，並提供多個候選星曆輔助資料202給GNSS積體電路20。在一些實施例中，非GNSS接收器24還用以提供有效時間至GNSS積體電路20。在一些實施例中，非GNSS接收器24包括WiFi接收器、藍牙接收器或長期演進技術(long term evolution，LTE)接收器。

在本實施例中，GNSS積體電路20與非GNSS接收器24為相互獨立的電子元件，但本揭露不限定於此，在一些實施例中，GNSS積體電路20與非GNSS接收器24可整合為單一積體電路。

GNSS積體電路20包括記憶體200、GNSS模組220、實時時鐘(real-time clock，RTC)240、傳輸介面260及處理器280。

記憶體200用以儲存非GNSS接收器24或傳輸介面260所提供的多個候選星曆輔助資料202。換言之，多個候選星曆輔助資料202不是由GNSS模組220所提供。在一些實施例中，記憶體200包括揮發性(volatile)記憶體及非揮發性(nonvolatile)記憶體。揮發性記憶體例如包括動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)及靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)。非揮發性記憶體包括光罩式唯讀記憶體(mask read only memory(ROM))、抹除式可複寫唯讀記憶體(erasable programmable read only memory，EPROM)、電子抹除式可複寫唯讀記憶體(electrically-erasable programmable read-only memory(EEPROM))及快閃記憶體(flash memory)。

GNSS模組220用以通過天線22接收待辨識廣播GNSS訊號120，通過解碼待辨識廣播GNSS訊號120取得導航訊息，並將導航訊息提供給處理器280。在一些實施例中，GNSS模組220包括射頻電路及基頻處理器。

實時時鐘240用以提供時鐘時間至處理器280。通常，一旦一般GNSS接收器曾經成功地與衛星定位過，所述一般GNSS接收器的時鐘時間會被同步至所述衛星的參考時間。據此，經同步的時鐘時間可視為是有效的時鐘時間。基於此原理，若GNSS積體電路20不曾與衛星16定位過，實時時鐘240所提供的時鐘時間視為是無效的時鐘時間。反之，一旦GNSS積體電路20曾經成功地與衛星16定位過，實時時鐘240所提供的時鐘時間將被同步至衛星16的參考時間。據此，經同步的時鐘時間可視為是有效的時鐘時間，並做為有效時間。

傳輸介面260，在一些實施例中，用以提供有效時間至處理器280。進一步來說，使用者可從例如網際網路時間伺服器(network time protocol server)取得所述有效時間，並通過傳輸介面260提供所述有效時間至處理器280。在一些實施例中，傳輸介面260還用以提供多個候選星曆輔助資料202。在一些實施例中，傳輸介面260包括序列周邊介面(Serial Peripheral Interface，SPI)、安全數位輸入及輸出(secure digital input and output，SDIO)、積體電路間(inter integrated circuit，I2C)或通用非同步收發傳輸器(universal asynchronous receiver-transmitter，UART)。

處理器280用以基於非GNSS接收器24、實時時鐘240及傳輸介面260中任一者所提供的有效時間作為有效時間參考點。處理器280用以基於所述有效時間參考點及多個候選星曆輔助資料202中的參考星曆輔助資料判斷待辨識廣播GNSS訊號120是否為欺騙訊號，其將詳細說明於圖4至圖6的實施例中。在一些實施例中，處理器280包括微控制器(microcontroller unit，MCU)。

為了易於理解如何基於候選星曆輔助資料202進行判斷，先說明包含多個候選星曆輔助資料202的資料封包的資料格式，詳參圖3A至圖3D。

圖3A為本申請的包括多個候選星曆輔助資料202的資料封包的資料格式的示意圖。參照圖3A，所述資料封包包括第1天、第2天、第3天至第15天，共15天，的資料。在本揭露中，所述資料封包並不限於15天的資料，在其他實施例中，所述資料封包可包括15天以外的資料。

圖3B為本申請的圖3A的15天中特定一天的資料格式的示意圖。參照圖3B，一天的資料包括區段1、區段2、區段3及區段4，共四個區段，的資料。區段1對應的時間範圍為00：00至06：00，並作為多個候選星曆輔助資料202中的第一候選星曆輔助資料；區段2對應的時間範圍為06：00至12：00，並作為多個候選星曆輔助資料202中的第二候選星曆輔助資料；區段3對應的時間範圍為12：00至18：00，並作為多個候選星曆輔助資料202中的第三候選星曆輔助資料；以及，區段4對應的時間範圍為18：00至24：00，並作為多個候選星曆輔助資料202中的第四候選星曆輔助資料。

在本實施例中，係以六個小時為一個區段，但本揭露不限定於此，在其他實施例中，能以六個小時以外的時間長度為一個區段。

圖3C為本申請的圖3B的四個區段中特定一個區段的資料格式的示意圖。參照圖3C，一個區段的資料包括衛星SV1、SV2、SV3至SV32，共三十二個衛星，的資料。但本揭露的衛星數量不限定於此，在其他實施例中，衛星的數量可為三十二個以外的數量。

圖3D為本申請的圖3C的三十二個衛星的資料中特定一個衛星的資料的資料格式的示意圖。參照圖3D，一個衛星的資料長度為72位元組。第0至2個位元組代表GNSS時間、第3個位元組代表衛星的識別身分(identification，ID)、第4至67個位元組代表星曆資料的內容、第68至72個位元組代表對應前述星曆資料(第4至67個位元組)的核對和(checksum)。所述星曆資料(第4至67個位元組)包括，但不受限於，克卜勒參數(Keplerian parameters)。

在說明完圖3A至圖3D之後，將說明如何基於候選星曆輔助資料202來識別是否受到攻擊。

圖4為本申請的識別與定位方法40的流程圖。參照圖4，識別與定位方法40包括操作400、402、404、406、408、410、412及414。

在操作400中，當GNSS積體電路20開機時，處理器280判斷時鐘時間是否有效。在一些應用中，若GNSS積體電路20曾經成功地與衛星16定位過，實時時鐘240提供的時鐘時間會被同步至衛星16的參考時間，而為有效的時鐘時間；反之，若GNSS積體電路20不曾與衛星16定位過，實時時鐘240所提供的時鐘時間視為是無效的時鐘時間。然而，造成時鐘時間無效的原因並不限於上述方案。當時鐘時間有效時，識別與定位方法40進行至操作402。當時鐘時間無效時，識別與定位方法40進行至操作404。

在操作404中，GNSS模組220接收待辨識廣播GNSS訊號120。類似於圖3B的候選星曆輔助資料202，待辨識廣播GNSS訊號120的資訊內容包括GNSS時間及待辨識廣播星曆資料。為了易於理解，假設待辨識廣播GNSS訊號120的GNSS時間指出的時間是12：30。

在操作406中，處理器280將12：30的GNSS時間視為是有效時間參考點。處理器280，基於12：30的有效時間參考點，從多個候選星曆輔助資料202中取得參考星曆輔助資料。進一步來說，參回至圖3B，12：30的有效時間參考點落在區段3的時間範圍內，因此處理器280將多個候選星曆輔助資料202中的區段3的候選星曆輔助資料202作為參考星曆輔助資料。

在操作402中，有效的時鐘時間例如是12：30。處理器280將12：30的有效的時鐘時間視為是有效時間參考點。處理器280，基於12：30的有效時間參考點，從多個候選星曆輔助資料202中取得參考星曆輔助資料。進一步來說，參回至圖3B，12：30的有效時間參考點落在區段3的時間範圍內，處理器280將多個候選星曆輔助資料202中的區段3的候選星曆輔助資料202作為參考星曆輔助資料。

在操作408中，GNSS模組220接收待辨識廣播GNSS訊號120。不同於操作404，處理器280不將待辨識廣播GNSS訊號120的GNSS時間作為有效時間參考點。

在操作410中，處理器280，基於區段3的參考星曆輔助資料，判斷待辨識廣播GNSS訊號120是否來自衛星16。進一步來說，在一種實施方式中，處理器280用以在區段3的參考星曆輔助資料與待辨識廣播GNSS訊號120包括的待辨識星曆資料之間相同參數的差值大於臨界值時，判斷待辨識廣播GNSS訊號120為欺騙訊號。當差值大於臨界值時，處理器280判斷發生待辨識廣播GNSS訊號120為欺騙訊號180的攻擊事件，待辨識廣播GNSS訊號120不是來自衛星16，識別與定位方法40進行至操作412。當差值不大於臨界值時，處理器280判斷沒發生待辨識廣播GNSS訊號120為欺騙訊號180的攻擊事件，待辨識廣播GNSS訊號120是來自衛星16，識別與定位方法40進行至操作414。

在操作412中，處理器280，基於區段3的參考星曆輔助資料，進行定位。也就是說，因應於待辨識廣播GNSS訊號120為欺騙訊號180的攻擊事件，處理器280基於參考星曆輔助資料但不基於待辨識廣播GNSS訊號120的待辨識星曆資料進行定位。

在操作414中，處理器280，基於待辨識廣播GNSS訊號120的待辨識星曆資料，進行定位。

在一些應用中，待辨識廣播GNSS訊號120的GNSS時間也可能被攻擊者18竄改，因而基於待辨識廣播GNSS訊號120的GNSS時間所選出的參考星曆輔助資料可能是不可靠的。因此，本申請另提出一種識別與定位方法，詳細說明於圖5的實施例。

圖5為本申請的另一識別與定位方法50的流程圖。參照圖5，識別與定位方法50類似於圖4的識別與定位方法40，差別在於，識別與定位方法50包括操作500及502。

在操作500中，處理器280經由傳輸介面260及非GNSS接收器24中任一者接收有效時間。舉例來說，使用者可以通過輸入介面(未圖示)自行輸入有效時間至GNSS積體電路20。或者，GNSS積體電路20可以經由例如WiFi自可靠的網站取得有效時間。

在操作502中，處理器280，基於有效時間，從多個候選星曆輔助資料202中取得參考星曆輔助資料。

在一些應用中，處理器280用以識別每次所接收的待辨識廣播GNSS訊號120是否是欺騙訊號180。然而，第一次所接收的待辨識廣播GNSS訊號120與第二次所接收的待辨識廣播GNSS訊號120之間的時間間格可能相對地長，而可能使得第一次取得的參考星曆輔助資料不適合用於識別第二次所接收的待辨識廣播GNSS訊號120是否是欺騙訊號180。因此，需要加入星曆輔助資料的更新操作，詳參圖6的實施例。

圖6為本申請的又另一識別與定位方法60的流程圖。參照圖6，識別與定位方法60包括操作600、602、604、606、608、610、612、614、616及618。

在操作600中，操作600類似於圖4的操作402及406或圖5的操作502，處理器280從多個候選星曆輔助資料202中，取得第一參考星曆輔助資料。之後，參回至圖4的操作410，基於第一參考星曆輔助資料，進行完第一待辨識廣播GNSS訊號是否來自衛星16的判斷。

在操作602中，在接收第一待辨識廣播GNSS訊號後，GNSS模組220接收第二待辨識廣播GNSS訊號。所述第二待辨識廣播GNSS訊號包括第二GNSS時間。簡言之，第二待辨識廣播GNSS訊號的訊號接收時間晚於第一待辨識廣播GNSS訊號的訊號接收時間。

在操作604中，處理器280判斷第二GNSS時間是否落在第一參考星曆輔助資料對應的時間範圍內。為了易於理解，假設第一參考星曆輔助資料為圖3B的區段3的參考星曆輔助資料，其對應的時間範圍是12：00至18：00。若第二GNSS時間是17：30，則17：30的第二GNSS時間落在第一參考星曆輔助資料對應的時間範圍內，識別與定位方法60進行至操作606。相對的，若第二GNSS時間是19：00，則19：00的第二GNSS時間落在第一參考星曆輔助資料對應的時間範圍外，識別與定位方法60進行至操作608。

在操作606中，由於第二GNSS時間落在第一參考星曆輔助資料對應的時間範圍內，第一參考星曆輔助資料仍適用於識別第二待辨識廣播GNSS訊號是否是欺騙訊號180。因此，處理器280不更新第一參考星曆輔助資料。

在操作608中，由於第二GNSS時間落在第一參考星曆輔助資料對應的時間範圍外，第一參考星曆輔助資料不再適用於識別第二待辨識廣播GNSS訊號是否是欺騙訊號180。因此，處理器280，基於19：00的第二GNSS時間，將參考星曆輔助資料從圖3B的區段3的候選星曆輔助資料202更新為區段4的候選星曆輔助資料202。區段4的候選星曆輔助資料202作為第二參考星曆輔助資料。

在操作610中，處理器280，基於第一參考星曆輔助資料，判斷第二待辨識廣播GNSS訊號是否來自衛星16，其操作方式類似於圖4的操作410，於此不再贅述。當判斷為不是來自衛星16時，識別與定位方法60進行至操作612。當判斷為是來自衛星16時，識別與定位方法60進行至操作614。

在操作612中，處理器280基於第一參考星曆輔助資料進行定位。

在操作614中，處理器280基於第二待辨識廣播星曆資料進行定位。

在操作616中，處理器280，基於第二參考星曆輔助資料，判斷第二待辨識廣播GNSS訊號是否來自衛星16，其操作方式類似於圖4的操作410，於此不再贅述。當判斷為不是來自衛星16時，識別與定位方法60進行至操作618。當判斷為是來自衛星16時，識別與定位方法60進行至操作614。

在操作618中，處理器280基於第二參考星曆輔助資料進行定位。

雖然本發明使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用以限縮本發明。相反地，此發明涵蓋了熟習此技藝人士顯而易見的修改與相似設置。所以，申請權利要求範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。