基于GNSS信号时延特征的转发式欺骗干扰检测算法

张国利，丁继成，张 尧,3

(1.中国人民解放军92941部队,辽宁 葫芦岛 125001;2.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001;3.中兴通讯西安研究院，陕西 西安 710000)

0 引言

随着科学技术的不断进步，全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)带来的经济意义和政治意义引起了许多国家的重视，许多政治、军事强国都在大力发展自己的GNSS，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，中国的BDS以及欧洲的Galileo，并称当今世界4大GNSS。此外，正在建设中的区域卫星导航系统还有印度的区域卫星导航系统、日本的准天顶卫星系统[1]。

电磁环境的日益复杂对卫星导航安全应用提出了严峻的挑战。近年来，北斗导航用户接收机易受干扰的问题日益突出，主要是卫星信号功率弱导致用户接收机抗电磁干扰能力差[2]，且民用导航信号结构公开，接收机很容易受到自然干扰和人为干扰。自然干扰无法避免,而人为干扰产生的后果更为严重,人为干扰主要分为压制式干扰和欺骗式干扰[3],压制式干扰是以大功率压制干扰机发射单频、扫频和伪码等压制信号使得目标接收机失锁无法正常工作，在应用过程中易被接收机察觉。不同于压制式干扰的是，欺骗干扰通过产生与真实信号高度相似的欺骗卫星信号或者转发真实卫星信号在隐蔽条件下使GNSS终端得到虚假的时间、位置和速度信息。欺骗式干扰分为2种[4]：生成式欺骗干扰和转发式欺骗干扰。相比较生成式欺骗干扰，转发式欺骗干扰的危害性更大，转发式欺骗干扰[5]是将真实导航信号进行一定的延时和放大后发送给目标接收机，因而在时间上落后于真实卫星信号，实施起来较容易且威胁性更大，它不仅可以干扰民用接收机，而且对于加密的军用设备同样可以进行欺骗干扰。

欺骗检测技术是抗欺骗技术研究的第一步，只有实时、正确和可靠地检测出欺骗信号，用户终端[6]才能减轻或消除欺骗干扰。目前，主要的抗欺骗技术有信号到达时间检测[7]、加密认证检测、信号到达角检测[8]和信号功率检测等方法[9]。每种检测方法都有自身的特点及适用场景。本文针对捕获阶段转发式欺骗干扰的检测需求，基于欺骗信号的时延特性，采用多峰联合FWHM的检测方式来实现对转发式欺骗信号的检测与识别，并通过仿真验证了算法的可行性。

1 大时延欺骗信号检测算法分析

转发式欺骗干扰将真实卫星导航信号经过一定的延时和放大后转发给目标接收机，造成定位偏差。通常情况下，大时延欺骗信号是指转发时延超过2个码片的干扰信号。多峰检测算法根据转发式欺骗信号的这一特征[10]，当欺骗信号转发时延较大时，通过检测信号捕获过程中超过捕获门限的相关峰个数来实现对转发式欺骗干扰的检测。

信号的捕获主要完成接收信号载波频率和码相位的参数估计，然后根据参数估计值初始化跟踪环路[11]，帮助接收通道展开对信号的跟踪。接收机的信号捕获过程一般是通过对卫星信号的载波频率和码相位进行二维搜索[12]。捕获原理如图1所示[13]。

图1 捕获原理

由图1可知，当非相干积分值超过预设的检测阈值时即可判断信号捕获成功，这是信号捕获原理也是多峰检测算法的重要前提。通常情况下，若接收到的卫星信号中只有真实信号，在捕获的相关峰值中，有且仅有一个相关峰的峰值超过预先设置的相关峰阈值；而当欺骗信号存在时，由于其要成功欺骗接收机，在捕获阶段会检测到多个大于预先设定阈值的相关峰值。多峰检测算法利用这一特性，通过检测捕获过程中超过捕获阈值的相关峰值的个数达到转发式欺骗干扰检测的目的。

检测结果的判决是通过与检测门限值Vt比较决定的：一方面，过小的门限容易造成虚警，即实际不存在欺骗干扰接收机确给出了错误的判决；另一方面，过大的门限容易造成漏警，即接收机没有检测出实际存在的欺骗干扰。检测门限的设定与信号捕获门限值的设定方法一致。

(1)

(2)

当信号不存在时，门限值Vt对应的虚警率Pfa大小为：

(3)

也就是：

(4)

门限值Vt确定后，信号被捕获到的概率Pd为：

(5)

式中，Pmd为漏警率。利用虚警概率计算得到捕获门限后，就可以通过多峰检测对欺骗信号进行干扰检测，检测过程分为以下几个步骤：

① 对于接收到的1 ms数字中频信号SIF(n)首先分别与接收通道同相支路上正弦、余弦复制载波混频；

② 将混频结果与本地复制C/A码进行相关运算，得到相关结果i和q；

③ 相关结果i和q经过时间为Tcoh相干积分后生成数据对I和Q；

④ 最后经非相干积分得到检测统计量V；

⑤ 非相干积分值与设定的门限Vt作比较，如果存在2个独立的高于门限Vt的峰值则判定转发式欺骗干扰存在。

当欺骗信号码延时为100个码片时检测到2个独立的超过门限的相关峰，算法成功地检测到大时延欺骗信号，如图2所示。

当欺骗信号转发时延为1个码片时真实导航信号和欺骗信号的相关峰发生重叠，此时利用多峰检测算法进行干扰判别，并不能检测到欺骗信号，如图3所示。

多峰检测算法对转发时延较大的欺骗信号有很好的检测效果，但是当欺骗信号转发时延很小时，多峰检测并不再适用，针对这种情况，本文提出了针对小时延欺骗信号的FWHM检测算法。

图2 多峰检测结果

图3 多峰检测结果

2 小时延欺骗信号检测算法分析

在检测欺骗干扰时，比较简单的情况就是欺骗干扰的相关峰与真实卫星信号的相关峰不重叠，即有2个相关峰，此时可利用多峰检测算法进行干扰判别，且有很好的检测效果。但实际情况中，由于转发时延是可控的，所以存在欺骗干扰时的相关峰会出现2种情况，即有2个相关峰或者只有一个相关峰。通过上述分析，当有2个相关峰时，可利用多峰检测进行判决。但是，当只有一个相关峰时，欺骗信号和导航信号的相关峰发生重叠，此时无法从相关峰的数目上来判别是否存在欺骗干扰。转发式干扰源为了提高欺骗信号的隐蔽性，在实际干扰过程只有一个相关峰的情况更为常见。针对该情况下的欺骗信号提出FWHM检测。

FWHM通过检测相关峰的几何形状，利用相关峰的半高宽来实现对小时延欺骗信号的检测。

理想情况下，相关函数的宽度为2个码片，相关函数公式：

(6)

FWHM的示意如图4所示，利用相似三角形得到如下表达式：

Vw=2(Vm-Vt)/Vm+ε，

(7)

式中，Vm是相关结果最大值，这里进行了归一化处理；ε是惩罚因子；Vt取相关峰值的一半。在只有导航信号时，计算得到的FWHM为一个码片宽度，当接收机受到转发式欺骗干扰后，如果欺骗信号相关峰和导航信号的相关峰距离较近，会导致原导航信号的相关峰发生形变，FWHM检测算法通过检测相关峰的几何形状来实现对欺骗信号的干扰检测。在利用FWHM检测算法进行干扰检测时，首先根据捕获结果计算出捕获相关峰的半高宽，其次根据计算得到的相关峰半高宽与检测阈值Vw进行比较，当大于Vw时则判定为欺骗信号存在。

图4 FWHM示意

基于信号时延特性的接收机信号捕获阶段欺骗干扰检测流程如图5所示。首先利用多峰检测判断超过检测门限的相关峰个数，如果为0则表明接收机通道内没有导航信号；如果超过检测门限的相关峰个数大于1，表明接收机受到欺骗干扰；如果超过检测门限的相关峰个数为1，进行FWHM检测，将计算得到的捕获相关峰的半高宽与Vm进行比较，大于Vm则判定为欺骗信号，小于Vm则判定为导航信号。

图5 捕获阶段欺骗干检测流程

3 仿真验证

为验证多峰检测算法和FWHM检测算法针对不同转发时延情况下欺骗信号的检测有效性，实验分为大时延欺骗信号检测和小时延欺骗信号检测2部分。

根据北斗卫星导航的相关资料，卫星导航接收信号在地面范围内的信号功率差距不大，信号的载噪比在35～55 dB/Hz 之间。本次仿真共生成1，5，7，15共4颗卫星的混合信号，相干积累的接收信号长度为1 ms，导航信号载噪比46 dB/Hz ，中心频率4.098 MHz，采样频率20 MHz，任取其中一颗卫星，模拟其转发时延分别为100个码片和1个码片的欺骗干扰，并叠加在原信号上。

图6给出了欺骗信号功率和真实导航信号功率相等、转发延时为100个码片时的检测结果。由图6可以看出，检测到2个独立的超过门限值Vt的相关峰，利用多峰判决准则成功地检测到欺骗信号，说明多峰检测算法对大延时欺骗信号有很好的检测效果。同时，为验证FWHM检测算法对小时延欺骗信号的检测性能，实验过程中将欺骗信号的时延设置为1个码片。

图6 多峰检测结果

码延时1个码片时多峰检测结果如图7所示，可以看出，当欺骗信号和正常导航信号功率相等且转发时延为一个码片时，欺骗信号与正常导航信号的相关峰发生重叠，根据多峰检测算法的判别准则并不能检测到欺骗信号。

图7 码延时1个码片时多峰检测结果

正常导航信号FWHM检测结果如图8所示。

图8 正常导航信号FWHM检测结果

码延时1个码片时FWHM检测结果如图9所示，可以看出，利用FWHM检测算法对主峰采样点进行高斯拟合后计算得到相关峰半高宽为12.52，与图8正常导航信号的相关峰半高宽相比，增大5.1。FWHM检测算法成功地检测到转发时延为一个码片的欺骗信号，成功地验证了FWHM检测算法针对小时延欺骗信号的检测有效性。

图9 码延时1个码片时FWHM检测结果

4 结束语

本文利用转发式欺骗信号相对正常导航信号的时延特性，提出了一种针对大时延欺骗信号的多峰检测算法和针对小时延欺骗信号的FWHM检测算法，通过联合检测在接收机信号捕获阶段完成对欺骗信号检测与识别，通过仿真实验验证了算法的可行性，具有一定的工程应用参考价值。