阅读说明：本技术 用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置及方法 (The device and method of satellite clock source low amplitude persistent anomaly for identification ) 是由 苏盛 刘亮 洪亮 张恒 陈清清 付青 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：一种用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置及方法,是由CPU基于恒温晶振秒尺度频漂预估值发出控制信号控制分频系数控制模块产生分频控制参数；分频器根据分频控制参数调整其设定的与标称计数值相对应的分频系数并产生PPS；采用时间间隔测量模块对输入的卫星时钟信号1PPS和上述PPS进行时间间隔差值计算；再将时间间隔差值与阈值1us进行比较,若大于A则判断卫星时钟异常；否则,对时间间隔差值进行连续累积运算直至累积运算值≥预设阈值B时,判断卫星时钟源异常。本发明通过对卫星时钟源1PPS进行本秒阈值判断外,另增长时间尺度下的有效性检测,可有效识别出持续时间同步攻击,确保各实时控制系统时间同步安全。(A kind of device and method of source of satellite clock for identification low amplitude persistent anomaly is to be based on the scale frequency drift discreet value of constant-temperature crystal oscillator second by CPU to issue control signal control frequency division coefficient control module generation frequency dividing control parameter；Frequency divider adjusts the frequency division coefficient corresponding with nominal count value of its setting according to frequency dividing control parameter and generates PPS；The calculating of time interval difference is carried out using satellite clock signal 1PPS and above-mentioned PPS of the time interval measurement module to input；Time interval difference is compared with threshold value 1us again, satellite clock exception is then judged if more than A；Otherwise, continuous accumulation operation is carried out to time interval difference until judging satellite clock source exception when accumulating operation values >=preset threshold B.For the present invention by carrying out outside this second threshold decision to satellite clock source 1PPS, the validation checking under another rise time scale can effectively identify duration synchronization attack, it is ensured that each real-time control system time synchronization safety.)

用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测卫星时钟源状态的方法，具体涉及一种用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置及方法。

背景技术

国产北斗卫星导航系统(BDS)和美国全球定位系统(GPS)可提供全天候卫星授时信号，广泛应用于电力、广播、交通、实时工控等基础设施中。卫星时钟源的可靠性一直是关注的重点问题。随着国家网络空间军事化趋势加剧，全球卫星导航系统(包括DBS和GPS)潜在的安全隐患已变成现实威胁。除军用外同步系统大量时间使用民用的卫星信道，缺乏认证加密的保障，给恶意攻击者提供了可乘之机---通过发送虚假卫星信号诱使时间同步装置产生带有一定偏差的时间信号，进而影响目标系统正常功能。

为增强各系统时间源可靠性，我国主要采用天基授时为主，地基授时为辅的模式进行精准对时，通过对不同时钟源信号与本地时钟的钟差对比确保选择可靠的时钟基准。此外，有相关研究通过预设门限值判断卫星时钟源的有效性，避免因卫星时钟源异常影响授时，但是并没有充分考虑到持续的时间同步攻击，其可控制异常值在阈值内，通过不断累积的方式致使钟差超过系统容许度，因此，如何检测识别持续卫星时钟源异常是本文研究的重点。

恒温晶振具有短期稳定性高的特点，长时间尺度下由于晶振老化漂移现象，晶振频率会出现持续累积的误差。基于恒温晶振在驯服及保持阶段测试中积累的大量历史数据，建立老化补偿模型并对老化特性趋势进行预测，能根据不同时间段偏差计算出所对应的补偿量进行补偿，使恒温晶振能提供更加可靠稳定的精确频率。

发明内容

为确保电力等实时工业控制系统时间同步过程中卫星时钟源的可靠性，实现对卫星时钟源的持续有效性检测，本发明提供了一种用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置及方法，通过预补晶振频漂(频率漂移)构建基于高精度恒温晶振的标准时间参考体系，在长时间尺度下对卫星时钟源进行有效性检测，能有效识别出持续时间同步攻击造成的卫星时钟源异常。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，一种用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置，其包括CPU、分频系数控制模块、分频器、时间间隔测量模块及寄存器，其中：该CPU基于恒温晶振秒尺度频漂的预估值发出控制信号至分频系数控制模块；该分频系数控制模块与CPU连接，用于接收CPU发出的控制信号，并产生分频控制参数，同时将产生的分频控制参数发送至分频器；该分频器分别与分频系数控制模块和恒温晶振连接，用于接收恒温晶振实际产生的高频计数信号和接收分频系数控制模块产生的分频控制参数，并根据该分频控制系数修正设定的恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数；同时根据修正后的分频系数和恒温晶振实际产生的高频计数信号产生PPS，再将产生的PPS发送至时间间隔测量模块；该时间间隔测量模块分别与该分频器和卫星接收机连接，用于接收卫星接收机发送的卫星时钟信号1PPS和分频器发送的PPS，并对1PPS和PPS进行时间间隔差值测量，同时将测量后得到的时间间隔差值发送至寄存器；该寄存器分别与时间间隔测量模块和CPU连接，用于接收该1PPS和PPS的时间间隔差值，并判断该时间间隔差值是否大于预设阈值A，若大于则判断卫星时钟异常，否则，从该时间间隔差值起对时间间隔差值进行连续累积运算，直至累积运算值≥预设阈值B，此时判断卫星时钟异常，否则卫星时钟正常。

所述寄存器还用于将卫星时钟源正常或异常的判断结果发送至CPU以进行下一步处理。

本发明同时提供一种利用上述装置识别卫星时钟源低幅度持续异常的方法，该方法步骤如下：

步骤1：预估恒温晶振的频率漂移，将晶振频漂反映在秒尺度上；

步骤2：CPU根据预估的秒尺度上的晶振频漂发出控制信号至分频系数控制模块，分频系数控制模块接收CPU发出的控制信号后产生分频控制参数，同时将产生的分频控制参数发送至分频器；

步骤3：分频器接收分频系数控制模块产生的分频控制参数，根据该分频控制系数修正设定的恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数，并根据修正后的分频系数和恒温晶振实际产生的高频计数信号产生PPS，同时将产生的PPS发送至时间间隔测量模块；

步骤4：时间间隔测量模块对输入的卫星时钟信号1PPS和上述PPS进行时间间隔差值测量，并将该时间间隔差值发送至寄存器；

步骤5：寄存器接收该1PPS和PPS的时间间隔差值，并判断该时间间隔差值是否大于预设阈值1us，若大于则判断卫星时钟异常，否则，进一步从该时间间隔差值起对时间间隔差值进行连续累积运算直至累积运算值≥预设阈值B，此时判断卫星时钟异常，否则卫星时钟正常。

上述步骤3中提及的根据该分频控制系数修正设定的分频系数的过程为：设定分频控制参数N_err，则分频器产生中的分频系数调整为N_rev＝N_std+N_err，其中，N_std为恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数。

上述提及的预设阈值B是依照不同实时设备系统对时间要求精度进行设定。

本发明的技术效果是：针对持续时间同步攻击造成的卫星时钟源持续异常，本方法通过建立恒温晶振频率漂移补偿模型消除恒温晶振的累积误差，进而通过调节分频器中分频系数产生补偿后PPS，通过PPS对1PPS进行本秒阈值判断和长时间尺度下的有效性检测。仿真实验结果表明，该方法能有效识别出持续时间同步攻击造成的卫星时钟源持续低幅度异常。

附图说明

图1是本发明用于识别卫星时钟源持续异常的原理框图；

图2是本发明的识别方法流程图；

图3是恒温晶振频漂实测与预测图；

图4是卫星时钟源正常和异常时1PPS随机误差分布图；

图5是卫星时钟源正常和异常时本发明识别的累积误差效果图。

具体实施方式

为确保电力等实时工业控制系统时间同步过程中卫星时钟源的可靠性，实现对卫星时钟源的持续有效性检测，本发明提出了一种用于识别卫星时钟源低幅度持续异常的装置，结合参见图1，其包括CPU、分频系数控制模块、分频器、时间间隔测量模块及寄存器，其中：

该CPU用于在秒尺度上的晶振频漂预估后根据预估的秒尺度上的晶振频漂发出控制信号至分频系数控制模块；

该分频系数控制模块与CPU连接，用于接收CPU发出的控制信号，并产生分频控制参数，同时将产生的分频控制参数发送至分频器；

该分频器分别与分频系数控制模块和恒温晶振连接，用于接收恒温晶振实际产生的高频计数信号(f)和接收分频系数控制模块产生的分频控制参数，并根据该分频控制系数修正设定的恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数；同时根据修正后的分频系数和恒温晶振实际产生的高频计数信号产生PPS，再将产生的PPS发送至时间间隔测量模块；

该时间间隔测量模块分别与该分频器和卫星接收机连接，用于接收卫星接收机发送的卫星时钟信号1PPS和分频器发送的PPS，并对1PPS和PPS进行时间间隔差值测量，同时将测量后得到的时间间隔差值发送至寄存器；

该寄存器分别与时间间隔测量模块和CPU连接，用于接收该1PPS和PPS的时间间隔差值，并判断该时间间隔差值是否大于预设阈值A即1us，若大于则判断卫星时钟异常，否则，进一步从该时间间隔差值起对时间间隔差值进行连续累积运算，直至累积运算值≥预设阈值B，此时判断卫星时钟异常，否则卫星时钟正常。该寄存器还用于将判断结果(卫星时钟源正常或异常的结果)发送至CPU进行下一步处理。

本发明利用上述装置进行卫星时钟源低幅度持续异常的识别方法的具体步骤如下，结参见图2：

步骤1：预估恒温晶振的频率漂移，将晶振频漂反映在秒尺度上；

步骤2：CPU根据预估的秒尺度上的晶振频漂发出控制信号至分频系数控制模块，分频系数控制模块接收CPU发出的控制信号后产生分频控制参数，同时将产生的分频控制参数发送至分频器；

步骤3：分频器接收分频系数控制模块产生的分频控制参数，根据该分频控制系数修正设定的恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数，并根据修正后的分频系数和恒温晶振实际产生的高频计数信号产生PPS，同时将产生的PPS发送至时间间隔测量模块；

步骤4：时间间隔测量模块对输入的卫星时钟信号1PPS和上述PPS进行时间间隔差值测量，并将该时间间隔差值发送至寄存器；

步骤5：寄存器接收该1PPS和PPS的时间间隔差值，并判断该时间间隔差值是否大于预设阈值A，若大于则判断卫星时钟异常，否则，进一步从该时间间隔差值起对时间间隔差值进行连续累积运算，直至累积运算值≥预设阈值B，此时判断卫星时钟异常，否则卫星时钟正常。

该寄存器还用于将判断结果(卫星时钟源正常或异常的结果)发送至CPU进行下一步处理。

上述提及的恒温晶振的频率漂移的预估方法是基于恒温晶振在驯服及保持阶段测试中积累的大量历史数据，利用经验模型(对数模型，ARMA模型等)、神经网络等方法对误差进行测量。以对数模型为例,具体为：

f(t)＝A+Bln(t+C)

式中，A,B,C为老化参数。可通过历史数据估算出A,B,C的值。f(t)为t时刻恒温晶振频率。该方法为现有技术，具体地可参见薛冲的《基于晶体振荡器的老化建模及其智能补偿》[D].西安电子科技大学,2014。

此外，若以日尺度或者小时尺度对恒温晶振频漂进行预估，则将晶振频漂分配到秒尺度上。具体为：设恒温晶振频率为f₀(单位HZ),日尺度下晶振频漂为f_day,则每秒补偿f_day/86400。

上述提及的根据该分频控制系数修正设定的分频系数过程为：设定分频控制参数N_err，则分频器产生中的分频系数调整为N_rev＝N_std+N_err，其中，N_std为恒温晶振正常情况下秒脉冲对应的分频系数，其数值等于晶振频率；该恒温晶振正常情况下是指恒温晶振未老化的情况下。

上述提及的PPS的产生过程为本领域的常规技术。

上述提及的预设阈值A为1us；预设阈值B则依照不同实时设备控制系统对时间要求精度进行设定，如us、ms和s级。

实施例1

为验证本发明所述的用于识别卫星时钟源持续低幅度异常的方法和装置的可行性，使用matlab进行仿真实验验证。实验中采用均值为零的随机函数模拟产生卫星时钟的随机误差，σ＝50ns。通过采用均值为20的随机函数模拟产生持续低幅度卫星时钟异常信号。

如图3所示，为根据实际恒温晶振在驯服及保持阶段测试中积累的大量历史数据对恒温晶振频漂实测与预测钟差的曲线图；本发明采用对数模型进行恒温晶振频漂的预测。其中，曲线1为实测晶振频漂曲线，曲线2是预测老化曲线，曲线3是补偿后曲线，从图可知，可通过预估晶振频漂的方法对晶振进行补偿实现标准时间参考源的建立。此外，随着人工智能的发展，更多更适应性强的算法估计效果可能更好，本文仅以对数模型示例。

图4是卫星时钟源正常和异常时1PPS随机误差分布图，(a)为卫星时钟源正常情况下随机误差的分布，(b)卫星时钟源异常下随机误差的分布。图5是卫星时钟源正常和异常时本发明识别的累积误差效果图，曲线1是卫星时钟源正常情况下PPS与1PPS长时间钟差误差累积值(钟差误差累积值于图5中以累积钟差表示)，曲线2是卫星时钟源异常情况下PPS与1PPS长时间钟差误差累积值。由图可见，卫星时钟源正常时，由于1PPS服从均值为0的正态分布，累积钟差值(即步骤5中提及的对时间间隔差值进行的累积运算值)在长时间尺度下稳定趋向于一恒定值；卫星时钟源异常时，累积钟差值将会愈来愈大，随着时间的累积将会超过阈值。由仿真结果可知，本方法能有效识别出卫星时钟源持续低幅度异常的情况。