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​卫星授时能抗欺骗吗?

2018-04-16 09:57:29
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

本文介绍了卫星授时的实现方法及抗欺骗的目标,分析了卫星授时抗欺骗的技术途径及其区别,提出了彻底解决静态授时环境下卫星授时抗欺骗问题的技术途径。

刘波[1],徐荣2,赵陆文2,张北江1,周同同1,张道农3

1.江苏指南针导航通信技术股份有限公司;2.陆军工程大学通信工程学院;

3.华北电力设计院有限公司

1 引言

卫星授时具有授时精度高、使用地域广、成本低、安装使用方便等诸多优点,是目前实现广域时间精确同步的重要手段,在电力、通信、交通、金融等许多行业都得到广泛应用。卫星授时接收机需要利用全向天线从开放的空间接收导航卫星信号,在接收卫星信号的同时,容易受到来自地面以及低空的无线电干扰,影响授时精度及可靠性。不管是BDS系统还是GPS系统,其民用信号格式都是公开的,利用信号模拟器产生虚假卫星信号对授时接收机进行欺骗,其难度和成本都不是很高。伊朗成功俘获美军无人机让世人看到了实施导航欺骗的可能与“收益”,同时也增加了使用卫星授时所面临的风险[1]。

美国国土安全部(Department of Homeland Security,DHS)高度关注在国家基础设施中使用GPS信号所面临的风险问题,2012年完成评估并形成两百多页的报告“National Risk Estimate:Risk to U.S.Critical Infrastructure from Global Positioning System Disruptions”。在DHS进行风险评估的8个试验场景,在8个试验场景中,4个模拟干扰(interference & jamming),3个模拟欺骗(spoofing),1个模拟自然影响(natural disruption,如太阳耀斑、地球磁暴)[2]。美国国土安全部今年还向全世界卫星同步时钟厂家发出邀请,参加2017年4月17日~21日在印第安纳州马斯卡塔塔克(Muscatatuck)城市培训中心,进行外场无线测试,评估卫星同步时钟的抗干扰、抗欺骗能力。彻底解决卫星授时的抗欺骗问题,对保证电力、通信、交通、金融等国家基础设施的安全可靠运行具有重要的意义。

2 卫星授时抗欺骗目标

2.1 卫星授时的实现方法

根据卫星授时接收机运动状态不同,可以把卫星授时分为动态授时和静态授时两种使用场景,不同场景下需要采用不同的方法实现授时。

动态授时主要应用于舰船、飞机、车辆等需要在运动中不间断地实现高精度时间同步的场合。动态授时的特征是接收机位置在不断地发生变化,其坐标是一个需要接收机通过解算不断获取的未知量。在动态授时场合,接收机通过PVT解算获取本地时钟与系统时钟间的偏差(本地钟差),然后修正本地钟差,得到时间信息。为实现授时,接收机至少需要同时接收4颗卫星的信号。

静态授时主要用于变电站、发电厂、通信基站等接收机可以固定安装的场合。静态授时的特征是接收机位置固定不变,其坐标是一个固定不变的已知量。在静态授时场合,接收机通过计算导航卫星到接收机间的传输时延,根据卫星时间和传输时延推算出本地时钟与系统时钟间的偏差(本地钟差),然后修正本地钟差,得到时间信息。接收机只需要接收1颗卫星的信号即可实现静态授时。

受测量误差、星座几何构形等因素的影响,动态授时的精度不如静态授时,再加上静态授时需要接收卫星信号数量更少,在接收机可以固定安装的场合,几乎都使用静态授时,彻底解决静态授时抗欺骗问题尤其重要。

2.2 卫星授时会被欺骗的原因

目前的卫星授时接收机之所以被欺骗,其原因非常简单,就是因为这些接收机认为其被捕获、跟踪的信号来自于真实卫星,并直接将其用于PVT解算或授时。

2.3 卫星授时抗欺骗的目标

所谓卫星授时欺骗,是指利用人造装置,向架设于卫星信号能正常到达位置的卫星授时接收机天线发射特定的信号(欺骗信号),以使卫星授时接收机输出与欺骗信号同步并且与真实时间存在一定偏差的时间信息。欺骗信号既可以来源与真实导航卫星信号,也可以来源于信号模拟器。当利用信号模拟器产生欺骗信号时,模拟器产生的欺骗信号与真实卫星信号的关系可以相关也可以无关。在实施欺骗时,为掩盖来自于导航卫星的真实信号,欺骗者有时还会在发射欺骗信号的同时发射干扰信号。

欺骗信号在格式上与真实信号相同,授时接收机不可避免地会捕获、跟踪这些欺骗信号。抗欺骗要达到的目的,就是只要接收天线处于能接收导航卫星信号的条件下,无论捕获、跟踪到何种样式的欺骗信号,接收机都不能按照欺骗信号输出错误的时间信息。

从应用和用户关心的角度,抗欺骗还应该做到“一劳永逸”地解决问题,即不仅能有效抵抗目前已经存在的各种欺骗样式的欺骗,而且能有效抵抗未来出现的更新的欺骗样式的欺骗。

总之,卫星授时抗欺骗应该同时达到无论受到何种样式的欺骗都不输出错误的时间信息,在不改变设备状态的情况下抗欺骗的能力不因欺骗技术的进步而减退甚至消失的目标。

3 卫星授时抗欺骗技术途径

3.1 卫星授时抗欺骗方法

既然卫星授时接收机不可避免地会接收欺骗信号,对接收的信号不加区别地直接用于授时导致接收机被欺骗。那么,解决抗欺骗问题应该从将接收到的信号用于授时前,先进行某些处理着手。根据对接收信号处理方法不同,可以将卫星授时抗欺骗方法分成“去伪存真”和“识真用真”两类。

所谓“去伪存真”,指对所有接收到的信号进行一定的处理,找出并剔除符合欺骗信号特征的信号,认为剩余信号为真实卫星信号,将剔除欺骗信号后的信号用于授时。

所谓“识真用真”,指对所有接收到的信号进行一定的处理,找出其中的真实卫星信号,并且只用真实卫星信号进行授时。

去伪存真的方法必须能识别所有样式的欺骗信号。因识别欺骗信号的方法与欺骗信号的特征相关,在新的欺骗样式出现后,必须先分析新欺骗信号的特征,然后再根据这些特征采取识别新欺骗信号的方法。这就意味着,识别欺骗信号的方法永远滞后于欺骗信号的产生方法,在不改变设备状态的情况下(不进行硬件和软件升级),无法保证能有效识别在设备安装使用后新出现的欺骗信号。

识真用真的方法因不需要识别欺骗信号,其抗欺骗能力可以与欺骗信号的特征无关,具有能抵抗未来出现的欺骗样式欺骗的潜力。这种方法必须保证识别出来的真信号一定是来自于导航卫星的真实信号。

3.2 识别真实卫星信号的方法

对信号的真伪进行识别有很多方法,从基本原理上讲,众多的方法可以分为基于数学算法和基于物理规律两大类。

基于数学算法的方法,如数字加密、数字签名等,其本质是利用公开或不公开的计算方法,再结合至少一个不公开的、足够长的随机数对信息进行处理,让处理后的信息在数学上满足一定的约束,接收者通过对接收信息是否满足这种特定的约束进行检验,进而判断接收信号是否为真实信号。这类方法起作用的前提是至少有一个足够长的随机数是欺骗方不知道的,并且通过穷举试探的方法来得到这个随机数在时间或代价上来讲是不可接受的。如果欺骗方通过其它手段,比如盗窃技术质料,深度分析设备等,还是有可能掌握其中的数学规律和相关随机数的,所以这类方法存在被仿冒的可能性,不是绝对安全的。

基于物理规律的方法,其本质是利用物理规律对信号进行识别,可以达到绝对的安全,例如量子密钥传输。如果能将卫星信号真实性识别建立在不可能被篡改或仿冒的物理规律基础上,则可以保证识别结果可信。

3.3 利用物理规律识别真实卫星信号的方法

导航卫星信号与其它信号不同,导航卫星信号中携带了卫星运动的轨迹信息和卫星上的时间信息。卫星运动轨迹严格体现了力学规律,卫星不可能无规律的运动。卫星上的时间也必然是均匀、连续及单向流逝的。

在接收卫星信号过程中,也有很多物理规律直接影响到接收信号的参数。如多普勒频移、电波传播损耗和速度、电子器件产生的热噪声、电波到达角度等。这些物理规律作用的效果可以精确测算并且具有一个不受外部环境影响的合理范围。只要是来自于导航卫星的真实信号,必然会在多个维度同时与这些物理规律相吻合。

哪些物理规律可以用于识别真实卫星信号与授时方法有关,如表1所示。

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利用电波达到角度识别真实卫星信号,需要接收机至少使用两个接收天线且要求欺骗信号用单天线发射。如果用多天线发射欺骗信号并且控制各天线信号的相对相移,可以在多天线接收环境下模拟出欺骗信号与真实卫星信号相同的达到角度,从而让利用电波到达角度识别真实卫星信号的方法失效。这条规律不适用于静态授时场合,至于是否适用于动态授时场合,本文笔者没有进行深入研究,只能说也许适用。在动态授时场合,因接收机位置本身就是一个未知量,而精确测算多普勒频移和电波传播时延需要接收机的精确位置,故不能利用这两条规律进行信号真实性识别。

在静态授时场合,可以充分利用众多的物理规律对接收信号是否来自真实的导航卫星进行识别。同时识别过程中的精度相当高,利用单频接收机,多普勒频移的识别精度可以达到10量级~11量级,传播时延的识别精度也可以达到纳秒量级,完全可以准确识别出真实卫星号。

4 结论

在静态授时场合,利用“识真用真”的方法,基于物理规律识别出所有接收信号中的真实信号并将真实信号用于授时,是彻底解决抗欺骗问题的可行途径,卫星授时能够有效抵抗已有的和未来可能出现的各种欺骗信号的欺骗。

参考文献

[1]刘波,徐荣,张北江,赵陆文,周同同,张道农.卫星授时面临的风险及需要解决的问题[J].电力自动化&仪器仪表.2017.01.

[2]Dee Ann Divis,Redacted DHS Report Details Privacy JammerRisks[EB/OL].http//www.insidegnss.com.

作者简介

刘波(1967-),教授/首席技术官,主要从事卫星通信、卫星导航方向的技术研究及产品研发工作。

徐荣(1980-),讲师,主要从事卫星通信、卫星导航方向的研究工作。

张北江(1977-),讲师,主要从事卫星通信、卫星导航方向的研究工作。

赵陆文(1977-),讲师,主要从事卫星通信、卫星导航方向的研究工作。

周同同(1988-),工程师,主要从事卫星通信、卫星导航方向的研究工作。

张道农(1961-),教授级高级工程师/设计总工程师,全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会委员、全国时间频率计量委员会委员、中国电工技术学会理事、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,中国电机工程学会高级会员,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作。

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