CN110161541B - 一种导航时间欺骗干扰方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导航时间欺骗干扰方法和装置，方法包括如下步骤：接收真实卫星信号，并根据其得到卫星1PPS信号、星历信息、UTC时间和欺骗干扰装置的位置坐标，预估或者事先测量出被欺骗干扰的接收机的位置坐标；控制时钟生成本地1PPS信号，并将其与卫星1PPS信号同步；根据UTC时间、本地1PPS信号等仿真生成射频信号并将其发射出去；逐渐延迟本地1PPS信号，直到设定的时间拉偏值为拉偏目标值，以此时间拉偏值为准持续仿真发射欺骗导航射频信号。本发明逐渐拉偏欺骗导航信号授时时间，解决由于对欺骗时间步进拉偏太大而容易被待欺骗的授时终端检测出而导致欺骗效果不佳问题。

Description

一种导航时间欺骗干扰方法和装置
技术领域
本发明属于导航时间欺骗干扰控制技术领域，具体涉及一种导航时间欺骗干扰方法和装置。
技术背景
随着社会经济的发展，高精度时间频率基准已经成为通信、电力、银行、证券、税收、工业、商务等领域重要的基础保障条件之一。在卫星导航***广泛应用之前，要实现广大区域内的高精度时间同步是件非常复杂的工作，需要借助原子钟以及远距离通信***的辅助。而卫星导航***的出现，使得全球范围内的高精度时间同步变得更加容易，授时型用户机是实现该项功能的主要手段。
在未来的智能电网中，为了实现对电网状态的实时高精度监测，必须依赖同步相量测量装置PMU(Phasor Measurement Unit)设备。在智能电网中的广泛分布着PMU，它们之间必须保持精确的时间同步(<1μs)才能提供全网精确的运行态势图。而目前PMU之间的时统手段主要依赖于卫星导航授时，但是导航信号极易受到欺骗攻击。业界已有学者在墨西哥针对PMU进行授时欺骗攻击，攻击前后1PPS及测量相量值出现偏差，导致电网控制部门发出错误的指令。
为了保证电网通讯的安全性，需要对接收机增加干扰防护措施，由于电网授时接收机基本上已经部署到位，因此最好的措施是在接收天线和授时接收机之间增加一个保护产品，在有干扰时检测到干扰并告警，更进一步可以提供抗干扰措施。这方面国外有的公司已经推出了产品：美国的MicroSemi公司推出的BlueSky GNSS Firewall产品和Orolia公司的ThreaterBlocker产品能够检测出压制/欺骗干扰并告警，后者还可以对干扰进行抑制。
无论是电力行业采购或者自研此类产品，或者仅仅是进行时间欺骗演示，都需要一套能够对导航时间进行欺骗攻击的装置，可以用来检验此类产品工作是否正常或者用于授时时间欺骗攻防演示。电力授时通常采用民用授时型接收机和本地时钟守时两种方式工作，起到互相备份的效果。如果欺骗攻击装置发射的欺骗信号时间拉偏步进太大，很容易被授时型接收机识别到欺骗攻击，授时就会切换到本地时钟，无法达到欺骗的效果。
发明内容
本发明提供一种导航时间欺骗干扰方法，可以步进10ns逐渐拉偏导航时间，用于解决由于对欺骗信号时间拉偏步进太大而无法有效进行授时时间欺骗干扰的问题；为解决该技术问题，本发明还提供了一种导航时间欺骗干扰装置。
一种导航时间欺骗干扰方法，该方法包括如下步骤：
(1)接收真实的对天卫星信号，输出与UTC时间同步的卫星1PPS信号、UTC时间、星历信息，本地位置坐标；
(2)根据本地位置坐标估计被欺骗干扰的授时终端的位置坐标，或者事先测量出被欺骗干扰的授时终端的位置坐标；
(3)控制时钟生成本地1PPS信号，并将本地1PPS信号与卫星1PPS信号同步；
(4)根据UTC时间、被欺骗干扰的授时终端的本地位置坐标、星历信息和本地1PPS信号仿真生成导航欺骗射频信号并将其发射出去；
(5)以设定步进逐渐延迟本地1PPS信号，直到设定的时间拉偏值为拉偏目标值，然后以此时间拉偏值为准持续仿真发射欺骗导航射频信号。
进一步的，所述步骤(1)中所述卫星信号为GPS L1信号或北斗B1信号。
进一步的，所述步骤(3)中将本地1PPS信号与根据卫星信号得到的1PPS信号同步的方式为：延迟本地1PPS，直到本地1PPS信号与根据卫星信号得到的1PPS信号的上升沿对齐。
进一步的，所述步骤(3)中当本地1PPS信号同步到卫星1PPS信号时，时间同步模块不再使用卫星1PPS信号进行同步操作，以保证实施时间欺骗干扰时本地1PPS信号不被欺骗。
进一步的，所述步骤(4)中调整发射信号的功率，使被欺骗干扰的授时终端接收到的欺骗信号功率比真实卫星信号功率大，差值为设定值，目的是保证被欺骗的授时终端只捕获跟踪欺骗导航信号。
一种导航时间欺骗干扰装置，包括电源模块、时钟、卫星信号接收模块、功率控制模块、干扰控制模块、时间同步模块和发射天线；根据如下方法对被欺骗干扰接收机进行欺骗干扰：
(1)内置的卫星信号接收模块接收卫星信号，并根据接收到的卫星信号解算输出卫星1PPS信号、星历信息、UTC时间、欺骗干扰装置所在的本地位置坐标；
(2)根据欺骗干扰装置所在的本地位置坐标估计被欺骗干扰的授时终端的位置坐标，或者事先测量出被欺骗干扰的授时终端的位置坐标；
(3)控制时钟生成本地1PPS信号，并将本地1PPS信号与卫星1PPS信号同步；
(4)根据UTC时间、被欺骗干扰的授时终端的位置坐标、星历信息和本地1PPS信号仿真生成射频信号并将其发射出去；
(5)以设定步进逐渐延迟本地1PPS信号，直到设定的时间拉偏值为拉偏目标值，然后以此时间拉偏值为准持续仿真发射欺骗导航射频信号。
进一步的，所述步骤(1)中的接收卫星信号为GPS L1信号或北斗B1信号。
进一步的，所述步骤(3)中将本地1PPS信号与根据卫星信号得到的1PPS信号同步的方式为：延迟本地1PPS，直到本地1PPS信号与根据真实卫星信号得到的1PPS信号的上升沿对齐。
进一步的，所述步骤(3)中当本地1PPS信号同步到卫星1PPS信号时，时间同步模块不再使用卫星1PPS信号进行同步操作，以保证实施时间欺骗干扰时本地1PPS信号不被欺骗。
进一步的，所述步骤(4)中调整发射信号的功率，使被欺骗干扰的授时终端接收到的欺骗信号功率比真实卫星信号功率大，差值为设定值，目的是保证被欺骗的授时终端只捕获跟踪欺骗导航信号。
本发明所提供的技术方案，通过逐渐拉偏仿真生成欺骗导航信号所需的本地1PPS时间，达到逐渐拉偏欺骗导航信号授时时间的效果，被欺骗干扰的授时终端接收捕获欺骗导航信号，解算出的导航时间就与真实UTC时间逐渐拉偏，从而能够解决由于对欺骗时间步进拉偏太大而容易被待欺骗的授时终端检测出而导致欺骗效果不佳问题。
附图说明
图1为装置实施例中导航时间欺骗干扰装置的组成示意图。
具体实施方式
装置实施例：
本实施例提供一种导航时间欺骗干扰装置，用于生成欺骗导航射频信号并发送给被欺骗干扰的授时接收机，对授时接收机进行导航时间欺骗干扰。
本实施了所提供的导航时间欺骗干扰装置，其组成如图1所示，包括电源模块、时钟、卫星信号接收模块、干扰控制模块、时间同步模块、功率控制模块和发射天线。电源模块包括电池，用于为装置内的用电设备供电。
目前电力、金融等行业对授时精度的要求优于1us，时间拉偏到2us以上就可能使PMU单位发出错误的测量结果，引发电力故障。下面以步进10ns时间拉偏为例，每个拉偏值持续3s，900s拉偏到2us时间差，具体方法包括如下步骤：
(1)内置的卫星信号接收模块接收卫星信号，并根据接收到的卫星信号得到卫星1PPS、UTC时间和星历信息、干扰装置所在的本地坐标。
本实施例中采用ublox模块作为卫星信号接收模块来接收卫星信号，接收到的卫星信号为GPS L1信号；作为其他实施方式，也可以将北斗B1信号作为接收到的卫星信号。
(2)根据干扰装置本地坐标估计或事先测量出被欺骗干扰授时接收机的坐标，将其作为仿真生成欺骗信号所需的坐标值。
(3)控制本地1PPS信号与卫星1PPS信号同步。
本实施例中的时钟为10MHz的时钟，本地1PPS(pulse per second,1次/秒)信号根据该时钟产生的1PPS信号，控制时间同步模块将本地1PPS信号与卫星1PPS信号同步的方法为：根据卫星1PPS信号和本地1PPS信号之间的差值控制时钟以延迟本地1PPS信号，使本地1PPS信号与卫星1PPS信号的上升沿对齐，从而使本地1PPS信号同步带卫星1PPS信号。
本实施例中，当本地1PPS信号的上升沿与卫星1PPS信号之间的差值小于10ns时，判断本地1PPS信号与卫星1PPS信号之间同步，同步精度优于10ns。
本实施例中，为了保证实施时间欺骗干扰时本地1PPS信号不被欺骗，当本地1PPS信号同步到卫星1PPS信号时，时间同步模块不再使用卫星1PPS信号进行同步操作。
(3)干扰控制、数学仿真和信号生成模块利用根据UTC时间、被欺骗干扰授时接收机的位置坐标、星历信息和本地1PPS信号，仿真生成欺骗导航射频信号，并控制发射天线将该射频信号发射出去。
本实施例中接收到的卫星信号是GPS L1信号，因此生成的射频信号为GPS L1射频信号；作为其他实施方式，当卫星信号是北斗B1信号时，生成的射频信号为BDS B1射频信号。
仿真生成的欺骗导航射频信号与本地1PPS信号同步，即仿真生成的欺骗导航射频信号与本地1PPS信号的上升沿时刻对齐。
根据UTC时间、位置坐标、星历信息和本地1PPS信号仿真生成导航射频信号的具体方法属于现有技术，已经非常成熟，这里不多做介绍。
在控制发射天线将仿真生成的射频信号发射出去时，通过功率控制模块调节发射天线的功率，使被欺骗干扰的接收机天线口面接收到的欺骗导航信号功率比真实卫星信号功率大，差值记为P1(dB)，具体为10dB到20dB。一般接收机接收的真实卫星信号功率Ps为-120dBm～-130dBm，估算出实施干扰地点距离被干扰授时接收机之间的距离，计算出距离引起的空间衰减值T(dB)，那么发射的欺骗信号功率＝Ps+P1+T(dBm)
(4)以设定步进逐渐延迟本地1PPS信号，持续产生发射信号，直到设定的时间拉偏值为2us，然后以此时间拉偏值为准持续仿真发射欺骗导航射频信号。
本实施例中的设定步进为10ns，以该设定步进逐渐延迟本地1PPS信号，相当于欺骗信号的UTC时间逐渐拉偏超前于真实UTC时间，每个步进量保持3s。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
方法实施例：
本实施例提供一种导航时间欺骗干扰方法，与上述装置实施例中控制器根据卫星信号接收模块接收到的卫星信号生成发射信号对被欺骗干扰接收机进行导航时间欺骗干扰的方法相同，该方法已在上述方法实施例中做了详细介绍，这里不多做说明。

Claims (7)

1.一种导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)接收真实卫星信号，并根据接收到的卫星信号得到卫星1PPS信号、星历信息、UTC时间和欺骗实施地的位置坐标；
(2)根据欺骗实施地的位置坐标和被欺骗授时终端的位置关系估算被欺骗授时终端的位置坐标，或者事先测量出被欺骗授时终端的位置坐标；
(3)控制时钟生成本地1PPS信号，并将本地1PPS信号与卫星1PPS信号同步；
(4)根据UTC时间、被欺骗授时终端的位置坐标、星历信息和本地1PPS信号仿真生成欺骗导航射频信号并将其发射出去；
(5)以设定步进逐渐延迟本地1PPS信号，直到设定的时间拉偏值为拉偏目标值，然后以此时间拉偏值为准持续仿真发射欺骗导航射频信号。
2.根据权利要求1所述的导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，所述卫星信号为GPS L1信号或北斗B1信号。
3.根据权利要求1所述的导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，预估或事先测量被欺骗授时终端的坐标值，将其作为仿真生成欺骗导航信号所需的用户位置坐标。
4.根据权利要求1所述的导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，所述步骤(3)中将本地1PPS信号与根据卫星信号得到的1PPS信号同步的方式为：延迟本地1PPS，直到本地1PPS信号与根据卫星信号得到的1PPS信号的上升沿对齐。
5.根据权利要求1所述的导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，当本地1PPS信号同步到卫星1PPS信号时，后续不再使用卫星1PSS信号进行同步操作。
6.根据权利要求1所述的导航时间欺骗干扰方法，其特征在于，所述步骤(4)中调整发射信号的功率，使被欺骗干扰的接收机接收到的发射信号比卫星信号的功率大，差值为设定值。
7.一种导航时间欺骗干扰装置，其特征在于，包括电源模块、时钟、卫星信号接收模块、功率控制模块、干扰控制模块、时间同步模块和发射天线；根据所述权利要求1-6任意一项所述的导航时间欺骗干扰方法对被欺骗干扰接收机进行欺骗干扰。
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