GNSS欺骗检测：比率测试度量的理论分析和性能

⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 2（2016）37www.elsevier.com/locate/icteGNSS欺骗检测：开放天空欺骗中比率测试度量的理论分析和性能黄洁a，莱蒂齐亚·洛·普雷斯蒂a，比阿特丽斯·莫泰拉b，马可·皮尼ba意大利都灵理工大学电子和电信系b意大利都灵Mario Boella导航技术研究所接收日期：2015年10月21日;接收日期：2016年1月25日;接受日期：2016年2月5日2016年2月15日在线发布摘要目前，越来越多的应用依赖于全球导航卫星系统（GNSS）提供的信息，但GNSS信号易受干扰、干扰和欺骗的脆弱性日益受到关注。在所有可能的故意干扰源中，欺骗具有极强的欺骗性和险恶性。事实上，受害者接收器可能无法警告用户并辨别真实信号和虚假信号。出于这个原因，在许多情况下，可能需要具有欺骗检测能力的接收器。在最近的文献中已经提出了不同类型的欺骗检测算法。第一种，称为比率度量，允许监测信号相关性中可能的失真。比率检验的有效性已被广泛讨论和证明，而在本文中，我们分析其性能，提出了一个数学模型，用于评估虚警和检测概率。2016年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：欺骗;比率测试性能;信号质量监测;干扰检测;跟踪1. 介绍民用用户在各种应用中广泛使用全球导航卫星系统。个gnss是在世界范围内航行的重要辅助工具。此外，它们还可用于土地测量，可用于科学应用或用于监测车队。然而，由于接收功率的低水平和已知的信号结构，GNSS民用信号容易受到无意和结构性干扰[1]。干扰是故意在带内发射电磁辐射，而术语欺骗是指类似GNSS的信号的传输，目的是在受害者接收器中产生虚假信息。电子邮件：info@p.c.Boggio 61，10138 Torino，Italy.联系电话：+390112276 416.电子邮件地址：motella@ismb.it（B. Motella）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为应用”客座编辑：Sunwoo Kim教授、Dong-Soo Han教授、Chansu Yu教授、Francesco Potorti博士、Seung-Hyun Kong教授和Shiho Kim教授。最近，全球导航卫星系统界对故意干扰日益感到关切。事实上，在过去的十年中，已经提出了几种用于欺骗检测的技术，也受到成功欺骗攻击的报告的鼓舞[2]。其中一些是基于功率测量，有效的情况下，欺骗信号有相对于真实信号的功率优势[3]。[4]中提出了一种基于两个民用接收机接收到的GNSS信号的相关性的检测方法天线阵列仍然是最强大的技术，提供强大的保护，防止欺骗攻击，因为它们可以用来检测到达角（AOA）或信号相位差。然而，额外的硬件和成本使得它们难以在大众市场应用中使用。基于矢量跟踪的欺骗检测方法也已提出[5]，但到目前为止，矢量跟踪环路的复杂性限制了 执行领域。另一类用于欺骗检测的方法，称为信号质量监控（SQM）技术[6]，旨在通过监控相关峰值质量[7一个众所周知的方法，属于这一类，是比率检验，在[10]中提出。这样一个度量标准作用于量化器http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.02.0062405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。=+11→ H1（3）38J. Huang et al. / ICT Express 2（2016）37-40功能为了结束对解决欺骗方法的简要概述，值得一提的是新信号结构的设计。[13]的作者介绍了在GNSS操作中实现认证的概念和方法，而参考文献[14]介绍了在GNSS操作中实现认证[14]处理加密信号。在这项工作中，我们从数学上分析的比率测试的性能，当应用于欺骗检测的目的。本文组织如下：第2节介绍了欺骗攻击的分类，并介绍了比率测试度量。第3节解释了基于比率检验的检测策略，第4节总结了理论分析的结果。第五部分是本文的主要结论2. 欺骗检测根据[2]，用于生成欺骗攻击的不同方法可以分为三个主要类别：简单化攻击、中间攻击和复杂攻击。简单化攻击可以很容易地实现，但也可以通过真正的信号。 此外，我们近似M1[k]作为一个iid高斯过程。注意，M1[k]是两个高斯随机过程Iel[k]Ie[k]Il[k]和Ip[k]，不再是高斯分布。但如果在瞬发相关器的输出处的噪声是可忽略的，Ip[k]可以由已知的常数近似，该常数的值主要取决于信号功率。这种近似似乎是危险的，但在实践中是相当现实的，特别是当接收机工作在一个开放的天空环境中，具有高值的载噪比C/N0。此外，请注意，中间欺骗攻击不太可能发生在具有差C/N0的降级信号上，因为欺骗者将努力同步和频率对准假信号和真信号，具有攻击失败的风险。在此假设下，度量M1[k]可以写为：M1[k]=µ1[k]+N1[k]（2）其中μ1[k]是由于信号分量而产生的平均值，并且N1[k]是方差已知的零均值iid高斯过程σ2，由于噪声分量。σ2的值取决于非常基本的对策。相反，一个复杂的11攻击是最有效的，但相关的复杂性使其实现的可能性较小最后，一个中间spokesman接收GNSS信号，使受控的延迟副本，并将它们发送到受害者接收机。它可能非常有效和险恶，也因为它可以用很少的廉价硬件组件实现[2]。如前所述，本文重点关注[10]中提出的用于欺骗检测的比率测试度量在进入性能分析的细节之前，下面给出检测器的数学模型。比率检验度量在[10]中定义为：Ie[k]+Il[k]噪声功率、DLL间隔和相关函数的形状，这些可以由接收机直接评估。事实上，可以在接收器侧估计σ2，特别是如果采用软件定义无线电（SDR）技术。事实上，SDRGNSS接收器在灵活性方面具有显著优势，简化了接收器链不同阶段的信号质量分析[17]。3. 检测策略一旦计算出度量，就需要一种策略来决定是否存在欺骗攻击。 一种可能的方法是采用M1[k]=（一）εIp[k]检测器[18]，它实现了一个二元假设检验，能够在H0（仅真实信号假设）和其中Ie[k]、Il[k]和Ip[k]是早期、晚期和即时相关性[15，16]，ε是常数因子，表示相关函数的斜率。例如，对于GPSC/A码和相关器间距等于码片持续时间ε等于2。H1（欺骗存在假设）。这两个假设可以表述为：µ1， 0→H0原则上，可以在不同类型的延迟锁定环（DLL）方案上定义比率测试度量。如果采用相干DLL，则Ie[k]、Il[k]和Ip[k]是相关器输出。而在非相干DLL中，两种解决方案是可能的：同相分支的输出，或两个组合分支的输出。在本文中，我们假设工作与非相干DLL的同相分支在这种情况下，Ie[k]、Il[k]和Ip[k]可以被建模为独立同分布（iid）高斯过程。实际上，在积分过程中，接收信号的独立白噪声样本生成统计独立的输出，其概率密度函数（pdf）是高斯的。我们假设配备有反欺骗模块的GNSS接收器能够在其受到欺骗攻击之前评估DLL中涉及的所有参数特别地，度量M1[k]是有噪声的，并且我们假设接收器能够估计其方差以及功率其中，µ1[k]是在历元k处的度量值，µ1， 0是在不存在噪声且不存在欺骗的情况下的比率测试，µ1， 1是在不存在噪声且存在欺骗的情况下的比率测试。请注意，对于给定的接收器结构和给定的GNSS信号，µ1， 0是恒定的，而µ1， 1取决于欺骗配置文件的特性。一般来说，如果相关失真在攻击的初始阶段达到明确定义的值，则可以肯定攻击是有效的迫使追踪回路解锁真正的信号μ1， 1可以根据欺骗所采用的信号模型来定义。更详细地说，对于中间欺骗攻击，μ1， 1取决于欺骗和真实信号功率之间的比率，以及两个信号之间的相对延迟。一旦这两个量已知，我们就可以设计经典NP检测器的参数。一般而言，NP决策策略基于将与阈值γ进行比较的似然比（LR）的定义，从阈值γ应用µ1[k]=;=1L 1关于我们M k>1+[]1=−12第1章-2dx2dx=erfc=erfc。J. Huang et al. / ICT Express 2（2016）37可以导出一组可观察的数据。在这种情况下，似然比检验（LRT）表示为：L（M[k]）p（M1[k];H1）> γ（4）p（ M1[k];H0）其中γL1是要设置的阈值，p（ M1[k]Hi）是假设Hi为真时随机变量M1[k]的概率密度函数，i 0， 1，并且M1[k]是在当前时期k测量的量。可以证明，该表达式在每个时期k处导致LRTσ2lnγL1µ1， 1−µ1， 0µ1，1+µ1， 02=γ1（5）有效值为0µ µ1， 1µ1， 0>0。对于μ0，可以得到类似的表达式。注意，阈值γ1与比率成反比∆µFig. 1. 不同ρs值（从7 dB到19 dB）下的PDρs=（六）σ1此外，很容易证明，当ρs趋近于0时，γ1趋向于无穷大（即当μ1， 1趋近于μ1， 0时）。这取决于这样一个事实，γ1−µ1，0=σ2lnγL1μm联系我们只有当两个值µ和µ2好2（八）一，一1， 0γ−µ=σ1lnγL1−µ不同，因为它们必须用于区分两个假设H0和H1如果µ1， 1=µ1， 0，则无区分1 1， 1µ2其中，在Eq. （5）代表歧视-是可能.相反，在以下情况下获得的高ρs值如果Δμ较高，噪声可忽略，则对应于较低的阈值。4. 比率测试性能：理论分析µ两种情况之间的间隔：欺骗的存在和不存在。最后，PF A=1erfclnγL1+ρs众所周知，检测器的性能可以根据检测概率PD和虚警概率PFA来评估[18]。一种总结检测2PD=1erfc200μslnγ200μs2√2ρ2√2.（九）NP检测器的性能是对于给定的阈值，绘制PD与PFA的关系。这种类型的图被称为受试者工作特性（ROC），并且表示设计NP检测器的工具。NP检测方法包括固定虚警概率的值，由此获得阈值γL1NP定理肯定了这会使检测概率最大化[18]。在实践中，在许多应用中，应用于测量数据的阈值可以直接从给定的PFA值进行评估。从等式（1）至（5），并且通过分析M1[k]的统计特性，可以从理论上推导出PFA和PD的表达式：图 1时，探测概率作为γL1的函数绘制。请注意，随着ρs的增加，曲线趋于平坦。类似地，对于较低的ρs值，检测概率和虚警概率都迅速下降。结果在图2中以ROC表示。每条曲线都是在给定ρs和改变γL1的情况下绘制的。在我们的例子中，实际上，ROC曲线可以很容易地评估，因为我们的随机量近似为具有已知参数的高斯变量。这意味着可以选择（PD，PFA）的任何期望值并且导出相应的阈值。5. 结论和今后的工作PFA=∞1√2πσexp−x−µ1， 022σ本文分析了比率检验的性能，γ1111γ1−µ1， 0它被用作欺骗检测器。比率测试是一种已知的度量，其在GNSS信号质量监测中被采用PD=2∞1√2πσ2σ1exp−x−µ1， 122σ（七）以检测信号相关性的失真。在本文中，我们介绍了一个数学模型，用于评估比率测试性能，在检测概率和γ1111γ1−µ1， 122σ1假警报的可能性。在回顾了检测战略，本文报告的数学分析和推导40J. Huang et al. / ICT Express 2（2016）37-40图二.不同ρs值（7 dB ~ 19 dB）的ROC曲线。ROC曲线即使所提出的模型是有效的高值的C/N0，这是一个条件下遇到的开放天空的情况下，它是有价值的预测检测器的性能。ROC曲线是理论模型的结果，需要通过适当的模拟活动进行验证。[5] A. Jafarnia-Jahromi ， T. Lin ， L. Broumandan ， J. Nielsen ， G.Lachapelle，基于矢量的跟踪GPS接收器上的欺骗攻击的检测和缓解，在：导航研究所2012年国际技术会议的会议记录，纽波特比奇，CA，2012年，第100页。七九零到八百。[6] A. Jafarnia-Jahromi，A. Broumandan，J. Nielsen，G. Lachapelle，GPS对欺骗威胁的脆弱性和反欺骗技术的回顾，Int. J. Navig. 2012年观察结果（2012年）。[7] F. Dovis，X.Chen，中国山核桃A.卡瓦列里湾Ali，检测欺骗威胁，信号参数估计的方法，在：导航研究所卫星部第24届国际技术会议（ION GNSS 2011）波特兰OR，2011年，第24页。416-421[8] K. Ali，E. Manfredini，F. Dovis，通过基于两个度量的联合使用的信号质量监测技术进行残留信号防御，在：位置、定位和导航专题讨论会会议录- PLANS，2014 IEEE/ION，2014，pp. 1240-1247。[9] E.G. Manfredini，B. Motella，F. Dovis，基于多维比率度量测试的欺骗和环境影响之间的区分的信号质量监测，在：导航研究所卫星部第28届国际技术会议（ION GNSS 2015）坦帕佛罗里达州，2015年，第28页。3100-3106[10] B.M.作者声明：B.加卢沙岛Miller，An in-line anti-spoofing devicefor legacy civil GPS receivers ， in ： The Proceedings of theInternational Technical Meeting of The Institute of Navigation （IONITM 2010）San Diego CA，2010，pp. 698-712[11] M. Pini，M. Fantino，A. Cavaleri，S.乌加齐奥湖Lo Presti，Signalquality monitoring applied to spoofing detection，in：The Proceedingsof the 24th International Technical Meeting of The Satellite Division ofthe Institute有前途 结果 有 已经 被 实现，获得模拟的ROC曲线符合理论曲线。对这方面的深入研究将是作者今后从事这方面工作的重点引用[1] F. Dovis，GNSS干扰威胁和对策，ArtechHouse，2015年。[2] T.E. Humphreys，B.M. 马里兰州莱德尔 Psiaki，B.W. O’Hanlon,Kintner，评估欺骗威胁：便携式GPS民用欺骗器的开发，载于：导航研究所卫星部第21届国际技术会议（ION GNSS 2008）萨凡纳GA，2008年，第21页。2314-2325。[3] D.M. 阿科斯，谁怕间谍？经由自动增益控制（AGC）的GPS/GNSS欺骗检测，导航59（4）（2012）281-290。[4] B.W. Psiaki，T.E.Humphreys，J.A.Bhatti，实时利用两个民用GPS接收机之间相关性进行欺骗检测，在：第25届导航研究所卫星部国际技术会议论文集（ION GNSS 2012），田纳西州纳什维尔，2012年，pp. 3584-3590。导航（ION GNSS 11）波特兰俄勒冈州，2011年，页。1888-1896年。[12] A.卡瓦列里湾Motella，M. Pini，M. Fantino，《在代码和载波跟踪水平上检测欺骗性GPS信号》，第五届欧空局卫星导航技术讲习班和欧洲GNSS信号和信号处理讲习班NAVITEC，2010年，第11页。1比6[13] S. 罗，D. D。Lorenzo，P.Enge，D.阿科斯山口布拉德利，信号认证.A secure civil GNSS for today，Inside GNSS 4（5）（2009）30-39.[14] T. 李文，“GNSS反欺骗系统的检测策略”，北京大学出版社，2000。49（2）（2013）1073-1090。[15] L. Lo Presti，Z. Xuefen，M. Fantino，P. Mulassano，符号转换存在下的GNSS信号捕获，IEEE J. Sel. Top.标志. 过程。3（4）（2009）557[16] D. 博里奥湖卡莫里亚诺湖Lo Presti，全球定位系统获取战略的影响关于决策概率，IEEE Trans.Aerosp. 44（3）（2008）996-1011。[17] L. Lo Presti，E.Falletti，M.Nicola，M.Troglia Gamba，软件GNSS接收器的定义无线电技术，在：2014年IEEE航空航天计量会议论文集（MetroAerospace），意大利贝内文托，2014年，第100页。314-319[18] S. 王文，统计信号处理，第二卷：检测理论，北京，1998。