阅读说明：本技术 一种基于低轨通信卫星的gnss抗欺骗系统与方法 (GNSS anti-deception system and method based on low-earth-orbit communication satellite ) 是由 严涛 蒙艳松 王瑛 边朗 雷文英 田野 李天� 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：一种基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统与方法,包括：多颗GNSS卫星、低轨通信卫星星座、GNSS抗欺骗终端。GNSS卫星用于播发真实的GNSS卫星导航信号；低轨通信卫星星座由多颗低轨通信卫星组成；低轨通信卫星用于播发低轨广播信号或低轨通信信号；GNSS抗欺骗终端接收GNSS卫星导航信号的同时还接收低轨广播信号或低轨通信信号,用于向用户提供真实的定位信息与授时信息。本发明利用低轨卫星运动速度快的特点,将低轨通信卫星播发的测距信号作为可信测距信号源,用于GNSS欺骗信号的检测,具有实时GNSS抗欺骗能力。(A GNSS anti-spoofing system and method based on low earth orbit communication satellite includes: a plurality of GNSS satellites, a low-orbit communication satellite constellation and a GNSS anti-cheating terminal. The GNSS satellite is used for broadcasting a real GNSS satellite navigation signal; the low-orbit communication satellite constellation consists of a plurality of low-orbit communication satellites; the low-orbit communication satellite is used for broadcasting low-orbit broadcast signals or low-orbit communication signals; the GNSS anti-deception terminal receives the GNSS satellite navigation signals and also receives low-orbit broadcast signals or low-orbit communication signals, and is used for providing real positioning information and time service information for a user. The method utilizes the characteristic of high movement speed of the low-orbit satellite, takes the ranging signal broadcast by the low-orbit communication satellite as the credible ranging signal source, is used for detecting the GNSS deception signal, and has the real-time GNSS anti-deception capability.)

一种基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统与方法

技术领域

本发明涉及一种基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统与方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

为了提升基本卫星导航系统的服务性能，目前已发展了多种导航增强手段，对卫星导航的完好性、精度、可用性进行了增强。近年来，随着移动定位服务、公路运输、航空、海运、授时、测地学、大气感知等领域广泛采用GPS和其他GNSS技术，GNSS民用信号的脆弱性问题引起了广泛关注。这些新兴应用多数属于安全相关或责任相关的，即用户的位置或者速度信息能用于执行与生命安全相关、或者法律/经济决策。因此，对卫星导航的安全性进行增强正成为新兴用户的一个重要要求。

GNSS民用信号是极其脆弱的。一方面，导航卫星发射的信号强度很低，通常只有-158dBW左右，使其容易受到干扰，敌方很容易对卫星信号干扰、压制；另一方面，所有开放的民用GNSS信号接口规范都是公开的，接收机能接收符合规范的任何输入，并将其视为来自GNSS卫星，这导致欺骗GNSS接收机非常简单。因此，对于GNSS民用信号的安全性而言，欺骗式干扰的威胁更严重。

为了增强卫星导航的安全性，一个方向是提升卫星导航系统本身的健壮性，改善民用信号的抗欺骗能力。通常的办法是对GNSS民用开放信号体制进行改进，在保持与当前信号向后兼容性的前提上，提供对导航信号的认证能力，进行抗欺骗设计，满足安全性增强的目的。目前，Galileo、GPS和QZSS团队已经对民用抗欺骗信号体制进行了研究，且Galileo计划在其E1 OS信号上提供导航电文(NMA)认证功能，美国研究在GPS L1C信号上采用Chimera认证方案，并正在谋求在GPS III卫星上进行测试。发明专利“对无线电导航信号的认证进行优化的方法和系统”(CN 1061716 A)和“数字签名的卫星无线电导航信号”(CN105492926 A)，通过对导航电文进行加密与数字签名，并延迟发送加密密钥，让攻击者无法假冒导航电文，实现对导航信号认证。

另一个抗欺骗方向是是发展辅助技术或者备份系统，美国专利“GeolocationLeveraging spot beam overlap”(US 9625573 B2)，借助低轨卫星多波束特征，以及低轨卫星信号加密、多普勒变化迅速，难以被欺骗的特点，铱星next提出了低轨多波束重叠图案抗欺骗的方案，增强定位授时的安全性。第三个抗欺骗方向是通过接收处理方法，识别检测欺骗信号，如专利“一种基于空间相关性识别的GNSS抗欺骗方法”(CN 109143265A)与“一种用于GNSS接收机的授权信号和***号联合抗欺骗方法”(CN 107367740A)所述。

然而，在GNSS民用信号中引入安全认证特征的方法，为了保证安全，密钥通常延迟播发，导致安全认证存在延迟；基于低轨卫星多波束特征的位置鉴权的方法，实时性高，但是精度受到波束图案的限制，精度难以提升；在接收机端进行处理来识别检测欺骗信号，则会增加接收机硬件和软件的实现复杂度。

发明内容

本发明的目的是在存在GNSS欺骗信号的情况下，当欺骗导致虚假位置与真实位置偏差超过一定门限时，用户终端能够实时发现存在GNSS欺骗信号，实现抗欺骗功能。

本发明利用低轨卫星运动速度快，信号动态大，难以被欺骗的特征，在低轨通信卫星上播发具有测距功能的测距信号，作为可信测距信号源，用于GNSS欺骗信号的检测，实现实时GNSS抗欺骗；同时，利用低轨通信卫星具有的双向通信链路，以及无线资源管理功能，能够进行双向鉴权，用户终端通过双向链路鉴权，进一步确定低轨通信卫星播发的测距信号的真实性，提升抗欺骗能力。

本发明的技术方案是：

一种基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统，包括：多颗GNSS卫星、低轨通信卫星星座、GNSS抗欺骗终端；

低轨通信卫星星座由多颗低轨通信卫星组成；

低轨通信卫星用于播发低轨广播信号或低轨通信信号；

GNSS抗欺骗终端用于向用户提供真实的定位信息与授时信息；

GNSS抗欺骗终端接收GNSS卫星导航信号的同时还接收低轨广播信号或低轨通信信号；

GNSS抗欺骗终端根据接收到的n路GNSS卫星导航信号，进行定位解算，得到信号接收时刻t₀，GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G；其中，n为正整数，且n≥4；

GNSS抗欺骗终端利用低轨通信卫星无线资源管理的双向鉴权功能，通过双向通信链路信号，进行双向鉴权，确定接收到的低轨广播信号或低轨通信信号是否来自真实对应的低轨通信卫星，获得真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号；

GNSS抗欺骗终端根据t₀时刻接收到的所述真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号，解调出低轨卫星电文，根据低轨卫星电文计算真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L；

GNSS抗欺骗终端利用所述真实对应的低轨通信卫星的测距信号，测量获得低轨通信卫星到GNSS抗欺骗终端的距离，作为可信任距离ρ；

GNSS抗欺骗终端根据所述位置坐标P_G、位置坐标P_L和门限值，判定所述n路GNSS卫星导航信号中是否存在欺骗信号，若n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号，则将GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G发送给用户，用于定位导航与授时。

所述GNSS卫星包括：GPS卫星、BDS卫星、Gelileo卫星、GLONASS卫星、QZSS卫星中的一种或任意几种。

所述GNSS卫星信号包括：GPS信号、BDS信号、Gelileo信号、GLONASS信号、QZSS信号中的一种或任意几种。

所述GNSS欺骗信号是GPS信号、BDS信号、Gelileo信号、GLONASS信号、QZSS信号一种或几种欺骗信号。

GNSS抗欺骗终端根据所述位置坐标P_G、位置坐标P_L和门限值，判定所述n路GNSS卫星导航信号中是否存在欺骗信号，具体为：

获得位置坐标P_G和位置坐标P_L之间的距离；

若Δρ>Δρ_TH，则判定n路GNSS卫星导航信号中存在欺骗信号，反之，则判定n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号；

当r-Δr≥h时，

当r-Δr<h时，

其中，R表示地球半径，h表示低轨卫星的轨道高度，r为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的几何距离，Δr为低轨通信卫星星座中低轨通信卫星播发的测距信号的最大伪距测量误差；θ为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的仰角，(x_G,y_G,z_G)为所述GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G，(x_L,y_L,z_L)为真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L。

一种基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗方法，包括步骤如下：

1)GNSS定位解算

使用GNSS抗欺骗终端接收n路GNSS卫星导航信号，进行定位解算，得到信号接收时刻t₀，GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G；其中，n为正整数，且n≥4；

2)双向鉴权

使用GNSS抗欺骗终端在接收GNSS卫星导航信号的同时还接收低轨广播信号或低轨通信信号，利用低轨通信卫星的无线资源管理的双向鉴权功能，通过双向通信链路信号，进行双向鉴权，确定接收到的低轨广播信号或低轨通信信号是否来自真实对应的低轨通信卫星，若所述接收到的低轨广播信号或低轨通信信号来自真实对应的低轨通信卫星，则获得真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号并进入步骤3)，反之，则继续搜索低轨广播信号或低轨通信信号直至所述接收到的低轨广播信号或低轨通信信号来自真实对应的低轨通信卫星后进入步骤3)；

3)LEO信号测距

使用GNSS抗欺骗终端根据t₀时刻接收到的所述真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号，解调出低轨卫星电文，根据低轨卫星电文计算真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L，同时，测量获得低轨通信卫星到GNSS抗欺骗终端的距离，作为可信任距离；

4)位置认证

根据步骤1)所述位置坐标PG与步骤3)所述位置坐标PL，获得位置坐标P_G和位置坐标P_L之间的距离，作为待认证距离获得可信任距离ρ和待认证距离

的差值Δρ，若Δρ>Δρ_TH，则判定n路GNSS卫星导航信号中存在欺骗信号，反之，则判定n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号；若n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号，则将GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和和钟差ΔT_G发送给用户，用于定位导航与授时。。

步骤4)所述门限值Δρ_TH的确定方法，具体为：

当r-Δr≥h时，

当r-Δr<h时，

其中，R表示地球半径，h表示低轨卫星的轨道高度，r为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的几何距离，Δr为低轨通信卫星星座中低轨通信卫星播发的测距信号的最大伪距测量误差；θ为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的仰角；

(x_G,y_G,z_G)为所述GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G，(x_L,y_L,z_L)为真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)现有的GNSS信号认证方法需要对导航信号进行改变，且信号认证存在延迟，而本发明不需要对GNSS信号进行改变，能够实时识别欺骗信号；

2)现有的基于低轨多波束重叠图案要求低轨卫星采用多波束体制，抗欺骗能力受限于波束大小和位置估计精度，通常位置估计精度十几公里量级；本发明不要求必须采用多波束体制，只需要低轨卫星播发的低轨信号具有测距能力，且精度高。

3)本发明能够充分利用低轨通信卫星的双向链路，进行双向认证，让低轨通信卫星作为一个可信的测距源，采用位置认证方法，具有高精度、实时性强的优势。

附图说明

图1为本发明公开的基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统方案；

图2为本发明公开的基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗方法框图；

图3为终端与LEO卫星几何关系示意图；

图4为门限值随仰角的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

本发明公开的基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗系统如图1所示，包括：多颗GNSS卫星、低轨通信卫星星座、GNSS抗欺骗终端；

GNSS卫星用于播发真实的GNSS卫星导航信号；GNSS卫星播发真实的GNSS信号，可以是BDS信号。

低轨通信卫星星座由多颗低轨通信卫星组成；

低轨通信卫星用于播发低轨广播信号或低轨通信信号；所述LEO信号是具有测距能力的广播信号，播发低轨卫星电文，支持单向测距；所述LEO信号可以采用多波束体制；所述LEO信号可以是脉冲信号或者连续信号；所述LEO信号是具有双向链路的通信信号，支持双向鉴权；所述LEO信号是具有双向测距能力的信号，支持双向测距。

GNSS抗欺骗终端用于向用户提供真实的定位信息与授时信息；GNSS抗欺骗终端是一个GNSS/LEO融合终端。

同一时刻，GNSS抗欺骗终端至少能接收到一颗低轨通信卫星；

GNSS抗欺骗终端接收GNSS卫星导航信号的同时还接收低轨广播信号或低轨通信信号；

GNSS抗欺骗终端根据接收到的n路GNSS卫星导航信号，进行定位解算，得到信号接收时刻t₀，GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G；其中，n为正整数，且n≥4；GNSS抗欺骗终端接收到的n路GNSS卫星导航信号中有可能存在GNSS欺骗信号，GNSS欺骗信号可以是BDS欺骗信号。

低轨通信卫星具有双向通信链路，且具有双向鉴权功能。GNSS抗欺骗终端利用低轨通信卫星无线资源管理的双向鉴权功能，通过双向通信链路信号，进行双向鉴权，确定接收到的低轨广播信号或低轨通信信号是否来自真实对应的低轨通信卫星，获得真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号；

GNSS抗欺骗终端根据t₀时刻接收到的所述真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号，解调出低轨卫星电文，根据低轨卫星电文计算真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L；

GNSS抗欺骗终端利用所述真实对应的低轨通信卫星的测距信号，测量获得t₀时刻低轨通信卫星到GNSS抗欺骗终端的距离，作为可信任距离ρ；

GNSS抗欺骗终端根据所述位置坐标P_G、位置坐标P_L和门限值，判定所述n路GNSS卫星导航信号中是否存在欺骗信号，若n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号，则将GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G发送给用户，用于定位导航与授时。

所述GNSS/LEO融合终端能够接收LEO信号，根据LEO信号进行双向鉴权，确定LEO信号的真实性，提升抗欺骗能力；

所述GNSS/LEO融合终端能够接收LEO信号，进行双向测距，提升测距精度。

所述GNSS卫星包括：GPS卫星、BDS卫星、Gelileo卫星、GLONASS卫星、QZSS卫星中的一种或任意几种。

所述GNSS卫星信号包括：GPS信号、BDS信号、Gelileo信号、GLONASS信号、QZSS信号中的一种或任意几种。

所述GNSS欺骗信号是GPS信号、BDS信号、Gelileo信号、GLONASS信号、QZSS信号一种或几种欺骗信号。

GNSS抗欺骗终端根据所述位置坐标P_G、位置坐标P_L和门限值，判定所述n路GNSS卫星导航信号中是否存在欺骗信号，具体为：

获得位置坐标P_G和位置坐标P_L之间的距离；

若Δρ>Δρ_TH，则判定n路GNSS卫星导航信号中存在欺骗信号，反之，则判定n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号；

当r-Δr≥h时，

当r-Δr<h时，

其中，R表示地球半径，h表示低轨卫星的轨道高度，r为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的几何距离，Δr为低轨通信卫星星座中低轨通信卫星播发的测距信号的最大伪距测量误差；θ为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的仰角，仰角θ的取值范围为0°～90°；(x_G,y_G,z_G)为所述GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G，(x_L,y_L,z_L)为真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L。

本发明公开的基于低轨通信卫星的GNSS抗欺骗方法，步骤如图2所示。包括步骤如下：

1)GNSS定位解算

使用GNSS抗欺骗终端接收n路GNSS卫星导航信号，进行定位解算，得到信号接收时刻t₀，GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和钟差ΔT_G；其中，n为正整数，且n≥4；由于可能存在GNSS欺骗信号，位置坐标P_G(x_G,y_G,z_G)和钟差ΔT_G可能是虚假的值。

2)双向鉴权

使用GNSS抗欺骗终端在接收GNSS卫星导航信号的同时还接收低轨广播信号或低轨通信信号，利用低轨通信卫星的无线资源管理的双向鉴权功能，通过双向通信链路信号，进行双向鉴权，确定接收到的低轨广播信号或低轨通信信号是否来自真实对应的低轨通信卫星，若所述接收到的低轨广播信号或低轨通信信号来自真实对应的低轨通信卫星，则获得真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号并进入步骤3)，反之，则继续搜索低轨广播信号或低轨通信信号直至所述接收到的低轨广播信号或低轨通信信号来自真实对应的低轨通信卫星后进入步骤3)；

3)LEO信号测距

使用GNSS抗欺骗终端根据t₀时刻接收到的所述真实对应的低轨通信卫星播发的测距信号，解调出低轨卫星电文，根据低轨卫星电文计算真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L，同时，测量获得t0时刻低轨通信卫星到GNSS抗欺骗终端的距离，作为可信任距离；所述LEO信号测距，还可以通过低轨卫星双向链路信号，进行双向测距得到。

4)位置认证

根据步骤1)所述位置坐标PG与步骤3)所述位置坐标PL，获得位置坐标P_G和位置坐标P_L之间的距离，作为待认证距离

获得可信任距离ρ和待认证距离

的差值Δρ，若Δρ>Δρ_TH，则判定n路GNSS卫星导航信号中存在欺骗信号，反之，则判定n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号；若n路GNSS卫星导航信号中不存在欺骗信号，则将GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G和和钟差ΔT_G发送给用户，用于定位导航与授时。。

步骤4)所述门限值Δρ_TH的确定方法，具体为：

当r-Δr≥h时，

当r-Δr<h时，

其中，R表示地球半径，h表示低轨卫星的轨道高度，r为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的几何距离，Δr为低轨通信卫星星座中低轨通信卫星播发的测距信号的最大伪距测量误差；θ为GNSS抗欺骗终端到低轨通信卫星的仰角，仰角θ的取值范围为0°～90°。

(x_G,y_G,z_G)为所述GNSS抗欺骗终端在地心地固坐标系中的位置坐标P_G，(x_L,y_L,z_L)为真实对应的低轨通信卫星在地心地固坐标系中的位置坐标P_L。

实施例

1)GNSS定位解算。

GNSS/LEO融合终端接收四颗以上的GNSS信号或者GNSS欺骗信号，计算出终端的位置PG和钟差。在终端信号接收时刻t₀，终端在地心地固(ECEF)坐标系中坐标为P_G(x_G,y_G,z_G)和接收机钟差ΔT_G。由于可能存在GNSS欺骗信号，位置坐标P_G(x_G,y_G,z_G)和钟差ΔT_G可能是虚假的值。

2)双向鉴权。

当低轨通信卫星具有双向通信链路，且具有双向鉴权功能时，GNSS/LEO融合终端同时接收LEO信号，利用低轨通信卫星的无线资源管理的双向鉴权功能，通过双向通信链路信号，进行双向鉴权，确定LEO卫星以及LEO信号的真实性。

3)LEO信号测距。

GNSS/LEO融合终端接收LEO播发的测距信号，解调出低轨卫星电文，计算t₀时刻所接收测距信号的发射时刻，低轨卫星在ECEF坐标P_L(x_L,y_L,z_L)。终端接收具有测距能力的LEO信号，测量t₀时刻低轨卫星到终端的可信任的距离ρ。所述LEO信号测距，还可以通过低轨卫星双向链路信号，进行双向测距得到。

4)位置认证。

用t₀时刻GNSS定位解算结果P_G与可信LEO卫星位置P_L，计算出终端到LEO卫星的待认证距离

计算待认证距离

与可信任的距离ρ的差

与门限值Δρ_TH比较，如果Δρ>Δρ_TH，既可以判断存在GNSS欺骗信号。

本发明公开使用的门限值Δρ_TH，可以通过以下方式设置，终端与LEO卫星几何关系如图3所示，地球假设为标准球体，S表示LEO卫星的位置，O表示地心，S’表示星下点，P为终端真实位置，P1和P2表示测得的伪距误差Δr下终端的最远位置，终端在地面上。

31)根据GNSS定位解算结果PG与低轨卫星在ECEF坐标PL(x_L,y_L,z_L)，计算得到t₀时刻低轨卫星的仰角θ，仰角θ属于0°～90°之间。

32)用R表示地球半径，h表示低轨卫星的轨道高度，r为终端到LEO卫星的几何距离，Δr为伪距测量值与几何距离r的最大测量误差，Δr通过统计特征先验得到，利用仰角θ计算几何距离r为：

33)门限值Δρ_TH依照下式确定：

当r-Δr≥h时，

当r-Δr<h时，

地球半径R＝6378km，低轨卫星高度h＝1100km，最大测距误差Δr分别等于3m和30m时，门限值Δρ_TH随仰角θ的变化曲线如图4所示。

可以看到，当LEO伪距测量误差为3m时，只要GNSS欺骗信号导致的定位偏差超过2.373km，大部分超过33.73m(仰角小于85°)就能鉴别出欺骗干扰。当LEO伪距测量误差为30m时，只要GNSS欺骗信号导致的定位偏差超过7.357km，大部分超过352.3m(仰角小于85°)就能鉴别出欺骗干扰。而基于多点波束重叠的抗欺骗方法，欺骗信号导致的定位偏差超过几十公里的量级，才能识别出欺骗信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。