一种卫星导航信号的认证方法

技术领域

本发明涉及卫星导航信号领域，尤其涉及一种卫星导航信号的认证方法。

背景技术

在卫星导航技术蓬勃发展的今天，GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)已广泛应用于交通、通讯、金融、能源、测绘工程、气象预报、现代农业和国防事务等领域，它深入社会各个层面，大大便利了人民群众的生活，同时还创造出无法估量的价值。但随着人们对卫星导航系统依赖性的增加，其安全风险也显著增加。GNSS民用信号是一个开放的信号体系，信号的载频、调制方式、扩频代码、导航电文格式等在接口控制文件中是公开的，很容易受到干扰与欺骗。

攻击者根据GNSS公开的信号格式，按照真实卫星导航信号从卫星控制端传输到地面接收端的传输过程来模拟伪造的信号。这种欺骗具有隐蔽、不易发现的特点，可能导致被攻击卫星导航信号的精度不降反升，与普通的压制式干扰不同，它会使地面接收端不自觉地接收到伪造信号中错误的位置和时间信息，落入欺骗攻击者设计的“陷阱”。正是由于民用卫星导航信号传输具有这种难以被检测的隐藏特性，而用户接收方则无法有效地鉴别传输的导航电文数据的信息，接收到的信息无法识别真实性，这样的情况使得民用卫星导航信号的安全更具风险。

研究者通过在民用信号中引入认证特性，以提高GNSS民用信号的信号安全体制。不同于军用或商用的授权服务信号，采用信号认证的方法，并不会影响非认证用户的正常使用，符合信号开放服务的原则。

发明内容

本发明的实施例提供了一种卫星导航信号的认证方法，以实现有效地对卫星导航信号进行认证。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种卫星导航信号的认证方法，包括：

选用自相关峰值较低的循环移位序列码作为认证码；

用循环移位后的认证码表示需要传输的认证信息，对所述认证信息进行多重码移键控组合的调相处理；

在卫星中频信号导航电文的固定位置添加多重码移键控组合的调相处理后的认证信息。

优选地，所述的选用自相关峰值较低的循环移位序列码作为认证码，包括：

对于任一个n级Gold码序列的自相关函数表示为：

上式中，x

式中，k为整数，N为Gold码一个周期内的码片数，β(n)用下式表示：

式中，[a]表示对a向下取整。

根据所述归一化的自相关函数

优选地，所述的用循环移位后的认证码表示需要传输的认证信息，对所述认证信息进行多重码移键控组合的调相处理，包括：

对认证码进行循环移位，用循环移位后的认证码来表示需要传输的认证信息，对认证信息进行多重码移键控组合的调相处理，如下式所示：

其中，

优选地，所述的在卫星中频信号导航电文的固定位置添加多重码移键控组合的调相处理后的认证信息，包括：

在卫星中频信号每组电文的同步头的位置添加多重码移键控组合的调相处理后的认证信息；

或者；

在GPSL1C/A或者BDSB1I的每个子帧的第一个字添加多重码移键控组合的调相处理后的认证信息，其他字则不做改动。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明方法根据民用GNSS卫星导航信号体制，在不影响信号开放服务原则的基础上，提高信号安全性，抵抗针对民用信号可能的欺骗干扰。本发明方法具有认证信息传输速率快、对原有信号影响小的优势，且本发明可以应用于自定义的导航系统如伪卫星等区域导航系统中。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种卫星导航信号的认证方法的实现原理图；

图2为本发明实施例提供的一种卫星导航信号的认证方法的处理流程图；

图3为本发明实施例所采用的认证码传输信息的示意图。

图4为本发明实施例认证信息固定位置添加的原理图。

图5为本发明实施例用Gold码序列生成认证码的过程图。

图6为本发明实施例添加认证信息前后的星座图(以GalileoE5信号为例)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

考虑到民用GNSS信号易受欺骗攻击的特性以及传统认证方案可能存在认证信息传输速率慢或信息解码复杂度高的问题，本发明从码移键控的认证方法、认证信息固定添加、认证码选取优化三个角度对认证信息的发送速率、解码正确率进行了优化，为抵抗针对民用信号的欺骗干扰提供解决方案。

本发明实施例提供的一种卫星导航信号的认证方法的实现原理图如图1所示，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤S10、选用自相关峰值较低的循环移位序列码作为认证码。

由于Gold码具有良好的自相关性，本发明实施例选取Gold码为认证码。自相关函数归一化后的可能的结果有4种。通过选用自相关峰值较低的循环移位序列码作为认证码以传输信息，提高认证信息解调的成功率。

认证码选取优化主要为根据Gold码的自相关性质选取经过码移键控移位后的合适的认证码。对于任一个n级Gold码序列，其自相关函数可表示为：

上式中，x

式中，k为整数，N为Gold码一个周期内的码片数，β(n)用下式表示：

式中，[a]表示对a向下取整。

以选用GPS L1C/A 1号星的扩频码作为原始码传输3bit信息的情况为例。此时码长为1023，所有循环移位可能的结果共1023种，需要从中选出8组序列码作为认证码以传输认证信息。将GPS L1C/A 1号星的扩频码作为C1(t)(如图1所示)中的第一行认证码，其与所有循环移位的扩频码按照上述过程求取互相关值，互相关结果如图5所示，图5中横轴表示当前序列相较于第一行认证码循环左移的码片数，纵轴表示当前序列码与第一行认证码的互相关归一化值。从图5中可以看出，互相关可能的结果有4种，根据互相关结果筛选出全部互相关结果绝对值最低的序列(如图5中循环左移55位后的序列码)。然后从筛选出的序列码中任选一组作为C1(t)中第二行认证码。令其与其余筛选出的序列码做互相关，再次筛选出互相关绝对值最低的序列，选出一组作为C1(t)中第三行认证码，不断重复直至C1(t)中8行认证码序列全部选出。最终的8行认证码任意两行之间互相关的绝对值均为0.0009775(1/1023)。这8行认证码可以对应传输8个符号，每个符号可表示3bit信息。

步骤S20、用循环移位后的认证码来表示需要传输的认证信息，对认证信息进行多重码移键控组合的调相处理。

对认证码进行循环移位，用循环移位后的认证码来表示需要传输的认证信息，对认证信息进行多重码移键控组合的调相处理，提高认证信息的传输速率。对所选择的原始认证码进行循环移位，从中选择合适的序列作为认证码以传输认证信息。最终传输的认证码对应于公式

上述多重码移键控组合的调相处理是通过在卫星中频信号中添加扩频码序列，从而对原有调制信号进行调相调制，并传输认证信息，如下式所示：

其中，

本发明通过采用多重码移键控调制认证方法，使得单位时间内认证信息的信息传输位数得到增加，提高了认证信息的传输速率；针对导航电文同步头添加认证信息，减少认证码剥离过程中可能出现的错误；通过优化扩频码的选择，降低不同认证码之间的互相关峰值，减少认证码的解调误码率。

步骤S30、在卫星中频信号导航电文的固定位置添加多重码移键控组合的调相处理后的认证信息。

选取卫星中频信号的导航电文的固定位置，在上述固定位置添加认证信息。以GPSL1C/A为例，在其每个子帧的第一个字进行认证信息的调制和播发，其他字则不做改动。导航电文第一个字为同步字，同步字通常是公开且固定不变的，接收端在解析认证信息即数据剥离的过程中，可以有效提高信息识别的正确率，且不会影响电文解调。以BDSB1C信号为例，在其子帧1进行认证信息的添加，因为子帧1包含的是扩频码编号和时间信息，取值固定或者有规律可循。

固定位置认证信息添加应尽可能减少对原先卫星导航信号的影响，选择在卫星中频信号的导航电文的固定位置如每组电文的同步头的位置添加认证信息，由此用户接收端在已知帧同步头内容的情况下能显著提高认证信息解算的正确率。

本发明实施例所采用的认证码传输信息的示意图如图3所示，将选取的Gold码循环移位，根据Gold码自相关结果选取相关峰值较低的副峰所对应码序列作为认证码以表示指定的符号，根据认证信息选择合适的认证码组合，最后将认证码组合通过调相调制添加在中频信号中。

本发明实施例认证信息固定位置添加原理图如图4所示，GPS L1C/A信号下，在每个子帧的第一个字即TLM同步字的位置添加认证信息；BDS B1C信号选择子帧1添加认证信息。只在上述位置播发认证信息，接收端都可以预先知晓对应导航电文的内容，且不会影响导航电文中信息的播发与接收，可以提高认证信息解析的正确率。

以恒包络的伽利略E5信号添加认证信息对输出的影响为例，如图6是添加认证信息前后伽利略E5信号可能的输出结果。原信号的星座图体现在圆点表示的8个相位上，加入认证信号后的星座图体现在“X”表示的相位上，认证信息的添加并不会改变信号的幅度，其恒包络特性得到了维持。

综上所述，本发明实施方法可以有效解决民用GNSS信号播发过程中易受欺骗干扰的问题。基于本发明所提到的要点，显著提高了发射端的认证信息传输速率以及用户接收端信息解码的正确率。可用于目前所有公开信号体制的GNSS信号，提高信号安全性。

相较于扩频码认证和导航电文认证方案，本发明采取的多重码移键控的认证方法使得认证信息的传输速率更快；

相较于扩频码认证方案，本发明采取的固定位置添加认证信息的方案，降低了对原有导航信号的影响，且利用固定信息帮助认证信息解调可以提高认证信息的解调正确率。

本发明采取的认证码选取策略可以降低不同认证码之间的互相关峰值，降低认证信息解调时的误码率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。