張國(guó)利，丁繼成，張 堯,3

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì),遼寧 葫蘆島 125001;2.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;3.中興通訊西安研究院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)意義和政治意義引起了許多國(guó)家的重視，許多政治、軍事強(qiáng)國(guó)都在大力發(fā)展自己的GNSS，包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS，中國(guó)的BDS以及歐洲的Galileo，并稱當(dāng)今世界4大GNSS。此外，正在建設(shè)中的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還有印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)[1]。

電磁環(huán)境的日益復(fù)雜對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航安全應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，北斗導(dǎo)航用戶接收機(jī)易受干擾的問(wèn)題日益突出，主要是衛(wèi)星信號(hào)功率弱導(dǎo)致用戶接收機(jī)抗電磁干擾能力差[2]，且民用導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)公開，接收機(jī)很容易受到自然干擾和人為干擾。自然干擾無(wú)法避免,而人為干擾產(chǎn)生的后果更為嚴(yán)重,人為干擾主要分為壓制式干擾和欺騙式干擾[3],壓制式干擾是以大功率壓制干擾機(jī)發(fā)射單頻、掃頻和偽碼等壓制信號(hào)使得目標(biāo)接收機(jī)失鎖無(wú)法正常工作，在應(yīng)用過(guò)程中易被接收機(jī)察覺(jué)。不同于壓制式干擾的是，欺騙干擾通過(guò)產(chǎn)生與真實(shí)信號(hào)高度相似的欺騙衛(wèi)星信號(hào)或者轉(zhuǎn)發(fā)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)在隱蔽條件下使GNSS終端得到虛假的時(shí)間、位置和速度信息。欺騙式干擾分為2種[4]：生成式欺騙干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾。相比較生成式欺騙干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的危害性更大，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾[5]是將真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行一定的延時(shí)和放大后發(fā)送給目標(biāo)接收機(jī)，因而在時(shí)間上落后于真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)施起來(lái)較容易且威脅性更大，它不僅可以干擾民用接收機(jī)，而且對(duì)于加密的軍用設(shè)備同樣可以進(jìn)行欺騙干擾。

欺騙檢測(cè)技術(shù)是抗欺騙技術(shù)研究的第一步，只有實(shí)時(shí)、正確和可靠地檢測(cè)出欺騙信號(hào)，用戶終端[6]才能減輕或消除欺騙干擾。目前，主要的抗欺騙技術(shù)有信號(hào)到達(dá)時(shí)間檢測(cè)[7]、加密認(rèn)證檢測(cè)、信號(hào)到達(dá)角檢測(cè)[8]和信號(hào)功率檢測(cè)等方法[9]。每種檢測(cè)方法都有自身的特點(diǎn)及適用場(chǎng)景。本文針對(duì)捕獲階段轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的檢測(cè)需求，基于欺騙信號(hào)的時(shí)延特性，采用多峰聯(lián)合FWHM的檢測(cè)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的可行性。

1 大時(shí)延欺騙信號(hào)檢測(cè)算法分析

轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾將真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)和放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)接收機(jī)，造成定位偏差。通常情況下，大時(shí)延欺騙信號(hào)是指轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延超過(guò)2個(gè)碼片的干擾信號(hào)。多峰檢測(cè)算法根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)的這一特征[10]，當(dāng)欺騙信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較大時(shí)，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)捕獲過(guò)程中超過(guò)捕獲門限的相關(guān)峰個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的檢測(cè)。

信號(hào)的捕獲主要完成接收信號(hào)載波頻率和碼相位的參數(shù)估計(jì)，然后根據(jù)參數(shù)估計(jì)值初始化跟蹤環(huán)路[11]，幫助接收通道展開對(duì)信號(hào)的跟蹤。接收機(jī)的信號(hào)捕獲過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率和碼相位進(jìn)行二維搜索[12]。捕獲原理如圖1所示[13]。

圖1 捕獲原理

由圖1可知，當(dāng)非相干積分值超過(guò)預(yù)設(shè)的檢測(cè)閾值時(shí)即可判斷信號(hào)捕獲成功，這是信號(hào)捕獲原理也是多峰檢測(cè)算法的重要前提。通常情況下，若接收到的衛(wèi)星信號(hào)中只有真實(shí)信號(hào)，在捕獲的相關(guān)峰值中，有且僅有一個(gè)相關(guān)峰的峰值超過(guò)預(yù)先設(shè)置的相關(guān)峰閾值；而當(dāng)欺騙信號(hào)存在時(shí)，由于其要成功欺騙接收機(jī)，在捕獲階段會(huì)檢測(cè)到多個(gè)大于預(yù)先設(shè)定閾值的相關(guān)峰值。多峰檢測(cè)算法利用這一特性，通過(guò)檢測(cè)捕獲過(guò)程中超過(guò)捕獲閾值的相關(guān)峰值的個(gè)數(shù)達(dá)到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾檢測(cè)的目的。

檢測(cè)結(jié)果的判決是通過(guò)與檢測(cè)門限值Vt比較決定的：一方面，過(guò)小的門限容易造成虛警，即實(shí)際不存在欺騙干擾接收機(jī)確給出了錯(cuò)誤的判決；另一方面，過(guò)大的門限容易造成漏警，即接收機(jī)沒(méi)有檢測(cè)出實(shí)際存在的欺騙干擾。檢測(cè)門限的設(shè)定與信號(hào)捕獲門限值的設(shè)定方法一致。

(1)

(2)

當(dāng)信號(hào)不存在時(shí)，門限值Vt對(duì)應(yīng)的虛警率Pfa大小為：

(3)

也就是：

(4)

門限值Vt確定后，信號(hào)被捕獲到的概率Pd為：

(5)

式中，Pmd為漏警率。利用虛警概率計(jì)算得到捕獲門限后，就可以通過(guò)多峰檢測(cè)對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行干擾檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：

① 對(duì)于接收到的1 ms數(shù)字中頻信號(hào)SIF(n)首先分別與接收通道同相支路上正弦、余弦復(fù)制載波混頻；

② 將混頻結(jié)果與本地復(fù)制C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果i和q；

③ 相關(guān)結(jié)果i和q經(jīng)過(guò)時(shí)間為Tcoh相干積分后生成數(shù)據(jù)對(duì)I和Q；

④ 最后經(jīng)非相干積分得到檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量V；

⑤ 非相干積分值與設(shè)定的門限Vt作比較，如果存在2個(gè)獨(dú)立的高于門限Vt的峰值則判定轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾存在。

當(dāng)欺騙信號(hào)碼延時(shí)為100個(gè)碼片時(shí)檢測(cè)到2個(gè)獨(dú)立的超過(guò)門限的相關(guān)峰，算法成功地檢測(cè)到大時(shí)延欺騙信號(hào)，如圖2所示。

當(dāng)欺騙信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為1個(gè)碼片時(shí)真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)和欺騙信號(hào)的相關(guān)峰發(fā)生重疊，此時(shí)利用多峰檢測(cè)算法進(jìn)行干擾判別，并不能檢測(cè)到欺騙信號(hào)，如圖3所示。

多峰檢測(cè)算法對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較大的欺騙信號(hào)有很好的檢測(cè)效果，但是當(dāng)欺騙信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延很小時(shí)，多峰檢測(cè)并不再適用，針對(duì)這種情況，本文提出了針對(duì)小時(shí)延欺騙信號(hào)的FWHM檢測(cè)算法。

圖2 多峰檢測(cè)結(jié)果

圖3 多峰檢測(cè)結(jié)果

2 小時(shí)延欺騙信號(hào)檢測(cè)算法分析

在檢測(cè)欺騙干擾時(shí)，比較簡(jiǎn)單的情況就是欺騙干擾的相關(guān)峰與真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)峰不重疊，即有2個(gè)相關(guān)峰，此時(shí)可利用多峰檢測(cè)算法進(jìn)行干擾判別，且有很好的檢測(cè)效果。但實(shí)際情況中，由于轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是可控的，所以存在欺騙干擾時(shí)的相關(guān)峰會(huì)出現(xiàn)2種情況，即有2個(gè)相關(guān)峰或者只有一個(gè)相關(guān)峰。通過(guò)上述分析，當(dāng)有2個(gè)相關(guān)峰時(shí)，可利用多峰檢測(cè)進(jìn)行判決。但是，當(dāng)只有一個(gè)相關(guān)峰時(shí)，欺騙信號(hào)和導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰發(fā)生重疊，此時(shí)無(wú)法從相關(guān)峰的數(shù)目上來(lái)判別是否存在欺騙干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾源為了提高欺騙信號(hào)的隱蔽性，在實(shí)際干擾過(guò)程只有一個(gè)相關(guān)峰的情況更為常見(jiàn)。針對(duì)該情況下的欺騙信號(hào)提出FWHM檢測(cè)。

FWHM通過(guò)檢測(cè)相關(guān)峰的幾何形狀，利用相關(guān)峰的半高寬來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小時(shí)延欺騙信號(hào)的檢測(cè)。

理想情況下，相關(guān)函數(shù)的寬度為2個(gè)碼片，相關(guān)函數(shù)公式：

(6)

FWHM的示意如圖4所示，利用相似三角形得到如下表達(dá)式：

Vw=2(Vm-Vt)/Vm+ε，

(7)

式中，Vm是相關(guān)結(jié)果最大值，這里進(jìn)行了歸一化處理；ε是懲罰因子；Vt取相關(guān)峰值的一半。在只有導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，計(jì)算得到的FWHM為一個(gè)碼片寬度，當(dāng)接收機(jī)受到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾后，如果欺騙信號(hào)相關(guān)峰和導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰距離較近，會(huì)導(dǎo)致原導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰發(fā)生形變，F(xiàn)WHM檢測(cè)算法通過(guò)檢測(cè)相關(guān)峰的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)欺騙信號(hào)的干擾檢測(cè)。在利用FWHM檢測(cè)算法進(jìn)行干擾檢測(cè)時(shí)，首先根據(jù)捕獲結(jié)果計(jì)算出捕獲相關(guān)峰的半高寬，其次根據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)峰半高寬與檢測(cè)閾值Vw進(jìn)行比較，當(dāng)大于Vw時(shí)則判定為欺騙信號(hào)存在。

圖4 FWHM示意

基于信號(hào)時(shí)延特性的接收機(jī)信號(hào)捕獲階段欺騙干擾檢測(cè)流程如圖5所示。首先利用多峰檢測(cè)判斷超過(guò)檢測(cè)門限的相關(guān)峰個(gè)數(shù)，如果為0則表明接收機(jī)通道內(nèi)沒(méi)有導(dǎo)航信號(hào)；如果超過(guò)檢測(cè)門限的相關(guān)峰個(gè)數(shù)大于1，表明接收機(jī)受到欺騙干擾；如果超過(guò)檢測(cè)門限的相關(guān)峰個(gè)數(shù)為1，進(jìn)行FWHM檢測(cè)，將計(jì)算得到的捕獲相關(guān)峰的半高寬與Vm進(jìn)行比較，大于Vm則判定為欺騙信號(hào)，小于Vm則判定為導(dǎo)航信號(hào)。

圖5 捕獲階段欺騙干檢測(cè)流程

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證多峰檢測(cè)算法和FWHM檢測(cè)算法針對(duì)不同轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延情況下欺騙信號(hào)的檢測(cè)有效性，實(shí)驗(yàn)分為大時(shí)延欺騙信號(hào)檢測(cè)和小時(shí)延欺騙信號(hào)檢測(cè)2部分。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的相關(guān)資料，衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號(hào)在地面范圍內(nèi)的信號(hào)功率差距不大，信號(hào)的載噪比在35～55 dB/Hz 之間。本次仿真共生成1，5，7，15共4顆衛(wèi)星的混合信號(hào)，相干積累的接收信號(hào)長(zhǎng)度為1 ms，導(dǎo)航信號(hào)載噪比46 dB/Hz ，中心頻率4.098 MHz，采樣頻率20 MHz，任取其中一顆衛(wèi)星，模擬其轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延分別為100個(gè)碼片和1個(gè)碼片的欺騙干擾，并疊加在原信號(hào)上。

圖6給出了欺騙信號(hào)功率和真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)功率相等、轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)為100個(gè)碼片時(shí)的檢測(cè)結(jié)果。由圖6可以看出，檢測(cè)到2個(gè)獨(dú)立的超過(guò)門限值Vt的相關(guān)峰，利用多峰判決準(zhǔn)則成功地檢測(cè)到欺騙信號(hào)，說(shuō)明多峰檢測(cè)算法對(duì)大延時(shí)欺騙信號(hào)有很好的檢測(cè)效果。同時(shí)，為驗(yàn)證FWHM檢測(cè)算法對(duì)小時(shí)延欺騙信號(hào)的檢測(cè)性能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將欺騙信號(hào)的時(shí)延設(shè)置為1個(gè)碼片。

圖6 多峰檢測(cè)結(jié)果

碼延時(shí)1個(gè)碼片時(shí)多峰檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，可以看出，當(dāng)欺騙信號(hào)和正常導(dǎo)航信號(hào)功率相等且轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為一個(gè)碼片時(shí)，欺騙信號(hào)與正常導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰發(fā)生重疊，根據(jù)多峰檢測(cè)算法的判別準(zhǔn)則并不能檢測(cè)到欺騙信號(hào)。

圖7 碼延時(shí)1個(gè)碼片時(shí)多峰檢測(cè)結(jié)果

正常導(dǎo)航信號(hào)FWHM檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 正常導(dǎo)航信號(hào)FWHM檢測(cè)結(jié)果

碼延時(shí)1個(gè)碼片時(shí)FWHM檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，可以看出，利用FWHM檢測(cè)算法對(duì)主峰采樣點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合后計(jì)算得到相關(guān)峰半高寬為12.52，與圖8正常導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)峰半高寬相比，增大5.1。FWHM檢測(cè)算法成功地檢測(cè)到轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為一個(gè)碼片的欺騙信號(hào)，成功地驗(yàn)證了FWHM檢測(cè)算法針對(duì)小時(shí)延欺騙信號(hào)的檢測(cè)有效性。

圖9 碼延時(shí)1個(gè)碼片時(shí)FWHM檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙信號(hào)相對(duì)正常導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)延特性，提出了一種針對(duì)大時(shí)延欺騙信號(hào)的多峰檢測(cè)算法和針對(duì)小時(shí)延欺騙信號(hào)的FWHM檢測(cè)算法，通過(guò)聯(lián)合檢測(cè)在接收機(jī)信號(hào)捕獲階段完成對(duì)欺騙信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性，具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。