范廣騰, 冉德超, 張飛, 庹洲慧

(軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院,北京 100071)

0 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶數(shù)量正不斷增加,并且已大量進(jìn)入社會(huì)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,比如緊急救援、電力、通信、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域．由于目前的導(dǎo)航接收機(jī)完全信任所接收到的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)信號(hào),因此任何組織、個(gè)人都可以通過發(fā)射虛假的欺騙干擾信號(hào)使接收機(jī)得出錯(cuò)誤的定時(shí)定位信息,從而癱瘓諸如電力系統(tǒng)、銀行金融系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等社會(huì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,甚至在軍事應(yīng)用中改變敵方無人機(jī)、導(dǎo)彈等自主導(dǎo)航載體的運(yùn)動(dòng)軌跡,使其到達(dá)欺騙干擾方指定的位置[1]．如何對敵方實(shí)施有效的欺騙干擾攻擊以及保護(hù)己方導(dǎo)航接收機(jī)不受欺騙干擾影響,以滿足強(qiáng)對抗條件下的導(dǎo)航戰(zhàn)的需求,是GNSS領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)[2]．

目前現(xiàn)有文獻(xiàn)都是針對欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)在某一特定屬性上的區(qū)別進(jìn)行設(shè)計(jì)．這些屬性包括信號(hào)到達(dá)角[3]、偽距[4]、信號(hào)載噪比[5]、信號(hào)功率[6]、導(dǎo)航電文[7]等．其中信號(hào)功率是區(qū)別真實(shí)信號(hào)與欺騙信號(hào)的重要屬性[6],現(xiàn)有利用信號(hào)功率進(jìn)行欺騙信號(hào)檢測的方法,只是通過接收信號(hào)的絕對功率大小進(jìn)行判斷,高級(jí)的欺騙源可以根據(jù)被欺騙終端的位置調(diào)整發(fā)射功率,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形范圍內(nèi),所有導(dǎo)航終端無法通過功率大小檢測判斷欺騙信號(hào)．

針對該問題,本文給出了一種基于信號(hào)功率變化的欺騙信號(hào)檢測方法．該方法利用現(xiàn)有的欺騙信號(hào)生成器與真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星在距離屬性上的本質(zhì)差別,移動(dòng)終端在接收真實(shí)信號(hào)時(shí)功率變化較小,而接收欺騙信號(hào)時(shí)功率變化較大,從而通過檢測功率變化值,實(shí)現(xiàn)對欺騙信號(hào)的有效檢測．該方法理論上,可以檢測所有距離較近的欺騙干擾源,大大增加了欺騙干擾的難度．

1 針對功率檢測的欺騙信號(hào)生成

目前基于信號(hào)功率檢測的欺騙干擾檢測方法,已經(jīng)廣泛運(yùn)用于導(dǎo)航接收機(jī)中,因此欺騙者為實(shí)現(xiàn)一次成功的欺騙干擾,必須通過信號(hào)功率檢測．高級(jí)的欺騙者可以根據(jù)需要欺騙的區(qū)域,調(diào)整發(fā)射信號(hào)功率,從而使終端接受到的欺騙信號(hào)功率在檢測門限以內(nèi)[8-9]．

假設(shè)導(dǎo)航接收機(jī)功率檢測門限的上限為Pu,下限為Pl,那么欺騙信號(hào)可成功欺騙的區(qū)域?yàn)閳A環(huán)形,即欺騙半徑Rl

由圖 1可知,采用信號(hào)功率檢測方法后,欺騙成功率變?yōu)棣?即:

(1)

因此,由上面分析可知,即便使用功率檢測的欺騙檢測方法,欺騙生成器通過設(shè)置合理的發(fā)射功率,仍然可以欺騙圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)航終端[8]．

2 基于信號(hào)功率變化的檢測方法

真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星與欺騙干擾源的本質(zhì)區(qū)別是到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)的距離不同,導(dǎo)航衛(wèi)星為中圓地球軌道(MEO)以上軌道衛(wèi)星,距離接收機(jī)20 000 km以上;而欺騙干擾源距離接收機(jī)通常為1～10 km,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星,如圖 2所示．

圖2 終端接收真實(shí)信號(hào)與欺騙信號(hào)的幾何關(guān)系

(2)

(3)

令功率變化的比值為檢測量δ,根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知,在接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)(假設(shè)H0)以及欺騙干擾信號(hào)(假設(shè)H1)條件下δ的概率分布為

(4)

式中：x為功率變化比值的觀測量；σ為功率變化比值的均方差；檢測量均值μ(l,r,θ)是欺騙干擾源到終端距離l,接收機(jī)運(yùn)動(dòng)距離r以及運(yùn)動(dòng)方向夾角θ的函數(shù)

(5)

由圖3可以看出,檢測量均值越大,欺騙信號(hào)檢測的成功率越高,圖4～6示出了不同情況下的檢測量均值,可以看出,基于信號(hào)功率變化的移動(dòng)終端欺騙干擾檢測方法對欺騙干擾的檢測性能與欺騙源到終端距離l,終端位移距離r和欺騙信號(hào)的入射角θ有關(guān)．當(dāng)H1條件下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的均值越大,其概率密度分布函數(shù)與H0條件下間隔越大,欺騙干擾檢測性能越好．

圖3 接收真實(shí)信號(hào)(H0)和欺騙信號(hào)(H1)下的概率分布

圖4 H1條件下檢測量均值與欺騙源到終端距離的關(guān)系

圖5 H1條件下檢測量均值與終端運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系

圖6 H1條件下檢測量均值與夾角的關(guān)系

3 性能分析

針對不同的欺騙源到接收機(jī)距離,接收機(jī)位移距離和欺騙信號(hào)的入射角,進(jìn)行蒙特卡洛仿真驗(yàn)證．每種條件下,仿真次數(shù)為10 000次,得到基于信號(hào)功率變化的移動(dòng)終端欺騙干擾檢測方法的ROC曲線如圖7～9所示．

圖7 不同欺騙源距離的ROC曲線

圖8 不同終端運(yùn)動(dòng)距離的ROC曲線

圖9 不同運(yùn)動(dòng)方向下的ROC曲線

根據(jù)圖7～9的仿真結(jié)果,令虛警概率為5%,則不同參數(shù)下的檢測概率如表1所示.

表1 不同參數(shù)下的檢測概率

由圖9和表1可以看出:

1) 欺騙源距離終端越近,基于信號(hào)功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu);

2) 終端運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn),基于信號(hào)功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu);

3) 欺騙信號(hào)入射方向與終端運(yùn)動(dòng)方向夾角越小,基于信號(hào)功率變化的欺騙干擾檢測技術(shù)的檢測性能越優(yōu)．

4) 當(dāng)終端運(yùn)動(dòng)距離超過200 m,可以有效檢測2 km范圍內(nèi)的欺騙源．

以上結(jié)論與第2節(jié)中理論分析結(jié)論一致．

為進(jìn)一步說明基于功率變化的移動(dòng)終端欺騙干擾檢測方法相比與傳統(tǒng)基于絕對功率的檢測方法的優(yōu)勢,下面通過仿真比較在不同欺騙源發(fā)射功率下,仿真參數(shù)如表2所示,兩種方法的檢測概率如圖10所示.

圖10 不同運(yùn)動(dòng)方向下的ROC曲線

表2 仿真參數(shù)

由圖10可知,傳統(tǒng)基于絕對功率的欺騙干擾檢測方法當(dāng)欺騙信號(hào)相比真實(shí)信號(hào)高出2.5 dB以上時(shí),可以得到90%以上的檢測概率,但當(dāng)欺騙信號(hào)與真實(shí)信號(hào)功率比較接近時(shí),檢測性能急劇惡化,而基于功率變化的移動(dòng)終端欺騙干擾檢測方法的檢測性能與欺騙信號(hào)的絕對功率無關(guān),只要移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)較長距離即可獲得95%以上的檢測性能．

4 結(jié)束語

針對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的導(dǎo)航終端,本文提出了一種通過檢測終端接收導(dǎo)航信號(hào)功率變化進(jìn)行欺騙干擾檢測的方法．理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只要干擾源距離終端小于2000 m,天線運(yùn)動(dòng)距離大于200 m,欺騙信號(hào)與終端運(yùn)動(dòng)方向夾角滿足正負(fù)45°內(nèi)的條件,本文提出的基于信號(hào)功率變化的欺騙干擾檢測算法即可在1%的虛警概率下實(shí)現(xiàn)對97%以上欺騙攻擊有效檢測,該方法可以有效解決只利用信號(hào)功率大小進(jìn)行欺騙信號(hào)檢測的局限性．