一种生成式GNSS欺骗干扰方法与流程

本发明涉及一种卫星导航欺骗技术领域，具体涉及一种生成式gnss欺骗干扰方法。

背景技术：

全球卫星导航定位系统gnss具有全天候、全天时、全方位的特点，可以为用户提供位置position、速度velocity和时间time信息。gnss系统在人们的生产、生活的方方面面都发挥着至关重要作用。目前，gnss系统主要包括美国gps、中国bds、俄罗斯glonass和欧洲galileo四大卫星导航系统。gnss系统通过播发导航信号，卫星电文以数据形式对载波和伪码进行两次调制，形成无线电波后向地面连续辐射。接收机通过接收到的卫星信号获取卫星位置和伪距信息进行定位解算。

随着卫星导航应用的逐步展开，卫星导航欺骗技术应用愈加广泛。欺骗式干扰源能发射与真实导航信号结构类似的干扰信号，在接收机毫无意识的情况下，使接收机捕获和跟踪到欺骗信号上，并解码欺骗信号所携带的导航信息来进行定位解算，从而产生欺骗效果。随着软件定义无线电sdr技术的发展，实施欺骗式干扰攻击的灵活性越来越大，实施成本却越来越低。这无疑使民用接收机面临的威胁更加显著。

根据欺骗式干扰信号产生方式的不同，可以分为转发式欺骗干扰和生成式欺骗干扰：

(1)转发式欺骗干扰，指欺骗方仅仅通过接收机天线接收真实的卫星导航信号，再经过适当的功率放大，然后由相应的发射天线对准目标接收机进行信号发射。可见，这个欺骗过程会产生信号时延，这个可控的时延就是转发式欺骗干扰形成欺骗时的控制量。转发式欺骗过程比较简单，不需要改变卫星信号所传输的导航电文，但转发式干扰的欺骗过程比较简单，接收机进行一些简单的抗欺骗措施即可检测出欺骗信号的存在。

(2)生成式欺骗干扰，直接复制射频载波、扩频码和导航数据比特，因为上述信息对应gnss民用信号都是公开透明的。通过改变上述参数的值，使他们和真实信号的不同，即可使接收机在捕获跟踪到欺骗信号上后产生错误的导航定位结果。

其中，根据实现复杂度和检测欺骗干扰的难度，可以将现有的生成式欺骗干扰分为:初级、中级和高级生成式欺骗干扰。

初级生成式欺骗：系统由主要一个gnss信号模拟器、射频发射天线和信号功率放大器组成的系统。由于缺少相关先验信息，模拟器产生的卫星信号很难和真实的卫星信号保持同步。因而从某种程度上讲，这种欺骗信号对于gnss接收机来说看起来像是噪声。但是这种欺骗信号能够严重影响接收机的捕获程序，导致捕获性能的下降，进而迫使接收机失锁或者重捕获。

中级生成式欺骗干扰：系统采用的是先接收gnss信息，再生成欺骗信号，再发射欺骗信号的工作模式，因此干扰系统具有接收、欺骗和发射这三个模块。首先，内置的接收模块先接收真实的卫星导航信号得到码相位、载波多普勒、卫星星历等信息后，然后由这些信息构建出与真实信号同步的欺骗信号，最后把构建出的欺骗信号朝目标接收机的接收天线发射出去。

高级生成式欺骗干扰：与中级生成式欺骗干扰相比，高级生成式欺骗干扰克服了单一发射天线的弊端，利用多个中级生成式干扰源进行联合欺骗，能打败基于到达角doa检测的抗欺骗干扰技术。但为了实现这种欺骗干扰，需要知道目标接收机天线的精确坐标点，实现这种欺骗干扰的复杂度比上述初级和中级都要大很多，因为在中级生成式的复杂度基础上，由于多个中级欺骗干扰源的伪距诱骗值应该收敛于一个点，所以他们之间的时钟同步就显得尤为重要。因此可知，这种欺骗干扰的有效范围是有限的。而精确的相位估计也要求干扰源离目标接收机的距离不能过大，这也是此类欺骗干扰的物理限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种生成式gnss欺骗干扰方法。此方法不需要目标接收机精确的目标位置，适用于全球卫星导航系统接收机卫星信号欺骗方法，可以快速接入卫星导航接收机，实现导航欺骗。

为达到上述目的，本发明提供了一种生成式gnss欺骗干扰方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将真实卫星导航系统发射的真实卫星信号接收入gnss接收机，获取真实卫星信号；步骤2：在gnss接收机中，根据真实卫星信号对真实卫星信号进行欺骗控制，生成与真实卫星信号同频、同相，且电平高于真实卫星信号的欺骗干扰信号；步骤3：将高电平的欺骗干扰信号输入卫星导航接收机，卫星导航接收机内部的自动增益控制agc降低增益，降低增益后的卫星导航接收机与真实卫星信号失锁；步骤4：若失锁的卫星导航接收机与欺骗干扰信号锁定，则欺骗成功，若失锁的卫星导航接收机与欺骗干扰信号未锁定，则继续重复步骤2-4，直至欺骗成功。

最优选的，欺骗控制的方法包括以下步骤：步骤2.1：根据真实卫星信号复制出与真实卫星信号同频、同相的本地复制信号；步骤2.2：将本地复制信号与真实卫星信号同时输入gnss接收机，生成gnss接收机天线口面的输入信号；步骤2.3：对输入信号进行中频采样，生成中频采样信号；步骤2.4：将中频采样信号和输入信号进行相干解调处理，输出相干输出信号；步骤2.5：调节相干输出信号的信号信息，获得电平高于真实卫星信号的欺骗干扰信号。

最优选的，真实卫星信号是根据目标接收机的位置计算得出；真实卫星信号包括真实卫星导航系统发射的星历信息和时间信息；时间信息为精确的整秒的秒脉冲；所述真实卫星信号为st(t)，且满足：

其中，t为精确的整秒的秒脉冲；p^t为接收天线口面的真实卫星信号功率；dk(t)表示第k颗卫星的星历信息；ck(t)表示第k颗卫星的扩频码；ω为gnss卫星信号频点的角频率；φk表示第k颗卫星gnss频率载波的初始相位。

最优选的，本地复制信号为ss(t)，且满足：

其中，p^s为接收天线口面欺骗干扰信号功率；δτ为欺骗信号相对真实信号的时延；dsk(t)为第k颗卫星的虚假信号所包含的星历信息；本地复制信号与真实卫星信号的星历信息相同。

最优选的，输入信号为r(t)；输入信号r(t)中还有一部分噪音信号为n(t)，且r(t)满足：

r(t)＝st(t)+ss(t)+n(t)

最优选的，中频采样信号为r[nts]，且满足：

其中，i为第i个伪码序列上的采样点，上标t和s分别对应真实的和复制的gnss卫星信号。pi和di分别是对应于第i个伪码序列上的信号功率和数据比特；相干输出信号的信号信息包括信号功率、多普勒频率和伪距；τi、fdi和分别是信号的码延迟、多普勒频率和第i个伪码序列的初始相位。ts是采样区间，η(nts)是采样的零均值白高斯噪声。

最优选的，相干解调处理后还需要通过低通滤波后输出相干输出信号；相干输出信号为yi(nts)，且满足：

其中，分别是真实信号的第i个伪码序列和本地复制信号的伪码序列之间的码延迟、多普勒频率和初始相位差；分别是欺骗信号和本地复制伪码序列之间的码延迟、多普勒频率和初始相位差；η(nts)为相关器低通滤波后的热噪声分量。

最优选的，卫星导航接收机锁定在第i个所述真实卫星信号上时，其多普勒频率和码延迟相干输出信号yi(nts)满足：

最优选的，卫星导航接收机锁定在第i个所述欺骗干扰信号上时，其欺骗信号的多普勒频率和码延迟相干输出信号yi(nts)满足：

最优选的，欺骗干扰信号通过进入gnss接收机的跟踪环路，再与降低增益后的卫星导航接收机锁定。

运用此发明，实现不需要目标接收机精确的目标位置，适用全球卫星导航系统接收机卫星信号欺骗方法，快速接入卫星导航接收机，实现导航欺骗。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明方法实现了不需要目标接收机精确的目标位置，适用于全球卫星导航系统接收机卫星信号的欺骗方法。

2、本发明方法还可以适用于车辆、无人机等运动载体平台。

附图说明

图1为本发明提供的生成式gnss欺骗干扰方法流程图；

图2为本发明提供的生成式gnss欺骗干扰方法捕获到的欺骗信号与真实信号图；

图3为本发明提供的生成式gnss欺骗干扰方法对无人机实际测试结果图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种生成式gnss欺骗干扰方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：将真实卫星导航系统发射的真实卫星信号传输至gnss接收机，以获取真实卫星信号；gnss接收机获取的真实卫星信号包括真实卫星导航系统发射的星历信息和时间信息，真实卫星信号是根据目标接收机的概略位置(x,y,z)计算得出；时间信息为精确的整秒的秒脉冲；其中，gnss接收机接收的真实卫星信号为st(t)，且满足：

其中，t为精确的整秒的秒脉冲；p^t为接收天线口面的真实卫星信号功率；dk(t)表示第k颗卫星的星历信息；ck(t)表示第k颗卫星的扩频码；ω为gnss卫星信号频点的角频率；φk表示第k颗卫星gnss频率载波的初始相位。获得目标接收机的、精确的整秒时刻t以及真实卫星导航系统播发的星历信息用以再生导航电文。

步骤2：在gnss接收机中，根据真实卫星信号对真实卫星信号进行欺骗控制，生成与真实卫星信号同频、同相，且电平高于真实卫星信号的欺骗干扰信号；其中，欺骗控制的方法包括以下步骤：

步骤2.1：根据真实卫星信号的目标位置信息(x,y,z)计算出真实卫星导航系统发射的精确的整秒的秒脉冲t以及星历信息，并根据精确的整秒的秒脉冲t和星历信息复制出与真实卫星信号同频、同相的本地复制信号ss(t)，且满足：

其中，p^s为接收天线口面欺骗干扰信号功率；δτ为欺骗信号相对真实信号的时延；dsk(t)为第k颗卫星的虚假信号所包含的星历信息；本地复制信号与真实卫星信号的星历信息相同。

步骤2.2：本地复制信号ss(t)和真实卫星信号st(t)同时输入gnss接收机，生成gnss接收机天线口面的输入信号为r(t)；输入信号r(t)中还有一部分噪音信号为n(t)，且r(t)满足：

r(t)＝st(t)+ss(t)+n(t)

步骤2.3：对输入信号r(t)进行中频采样，生成中频采样信号r[nts]，且满足：

其中，i为第i个伪码序列上的采样点，上标t和s分别对应真实的和复制的gnss卫星信号。pi和di分别是对应于第i个伪码序列上的信号功率和数据比特；τi、fdi和分别是信号的码延迟、多普勒频率和第i个伪码序列的初始相位。ts是采样区间，η(nts)是采样的零均值白高斯噪声。

步骤2.3：在接收机解扩过程中，将中频采样信号r[nts]和输入信号r(t)进行相干解调处理，相干解调处理后还需要通过低通滤波后输出相干输出信号，输出相干输出信号为yi(nts)，且满足：

其中，分别是真实信号的第i个伪码序列和本地复制信号的伪码序列之间的码延迟、多普勒频率和初始相位差；分别是欺骗信号和本地复制伪码序列之间的码延迟、多普勒频率和初始相位差；η(nts)为相关器低通滤波后的热噪声分量。

步骤2.4：调节相干输出信号的信号信息，包括信号功率、多普勒频率和伪距，欺骗干扰信号攻击以前接收机已经锁定在第i个真实信号上，则其多普勒频率和码延迟此时相干输出信号yi(nts)满足：

获得电平高于真实卫星信号20db以上的欺骗干扰信号。

步骤3：将高电平的欺骗干扰信号输入卫星导航接收机，欺骗干扰信号电平比真实卫星信号电平大20db以上，到达天线口面以后卫星导航接收机内部的自动增益控制agc增益将进行动态调整，增益降低后的卫星导航接收机与真实卫星信号失锁。

步骤4：若失锁的卫星导航接收机进入gnss接收机的跟踪环路，跟踪上与真实卫星信号同频同向且增益向匹配的欺骗干扰信号，与欺骗干扰信号锁定，此时欺骗信号的多普勒频率和码延迟此时相干输出信号yi(nts)满足：

则欺骗成功，若失锁的卫星导航接收机与欺骗干扰信号未锁定，则继续重复步骤2-4，直至欺骗成功。

图2中给出欺骗干扰信号电平为-90dbm到达天线口面的情况，此时由于agc增益动态调整，接收机在失锁重补后会锁定与真实卫星信号同频同相的欺骗干扰信号。对某型号无人机的导航诱导结果如图3所示，其中a点是无人机起飞点；b是开始诱捕点；c点是停止诱捕点；d点是关闭信号点，可见再生式欺骗gnss卫星信号可以快速接入无人机gnss卫星导航系统当中，实现导航诱导欺骗。

本发明的工作原理：

将真实卫星信号接收入gnss接收机，获取真实卫星信号；根据真实卫星信号对真实卫星信号进行欺骗控制，生成与真实卫星信号同频、同相，且电平高于真实卫星信号的欺骗干扰信号；将高电平的欺骗干扰信号输入卫星导航接收机，自动增益控制agc降低增益，降低增益后的卫星导航接收机与真实卫星信号失锁；若失锁的卫星导航接收机与欺骗干扰信号锁定，则欺骗成功，若失锁的卫星导航接收机与欺骗干扰信号未锁定，则继续重复步骤2-4，直至欺骗成功。

综上所述，本发明一种生成式gnss欺骗干扰方法，实现了适用全球卫星导航系统接收机卫星信号欺骗方法，快速接入卫星导航接收机，实现导航欺骗。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。