伪GPS导航信号生成与识别技术研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

为实现伪GPS卫星信号的生成，首先需透彻研究GPS卫星信号的特性，包括频率段、调制方式及伪随机噪声码（PRN码）的生成。GPS的编码数字信号是通过直接序列扩频（DSSS）方式来加载到RF载波（L1,1575.42MHz或L2,1227.6MHz）上去的，采用的是二进制相移键控（BPSK）。直接序列扩频所采用的伪随机噪声码本质上属于Gold码，GPS所采用的C/A码和P码都是由线性移位寄存器产生的伪随机噪声码。GPS的导航电文又称为D码，它主要作用是将GPS卫星的星历（位置）信息传输给接收机，此外它还包括时钟改正、电离层延时改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息、全部卫星的概略星历。关于GPS卫星信号的研究介绍见于参考文献【1】。

GPS信号接收机硬件结构主要由射频前端模块、信号处理模块和应用处理模块组成。射频前端主要用于接收卫星信号将其下变频至中频并接收AGC控制指令。信号处理模块是GPS接收机的核心模块，主要功能是捕获跟踪卫星信号并对GPS扩频信号进行相关解调、解扩。GPS应用处理模块主要是利用信号处理模块提供的数据进行解算定位，并对信号处理模块进行实时控制。

GPS接收机信号处理模块首先需要对射频前端接收到GPS卫星信号进行捕获，估计出粗略的码相位差和载波多普勒频移，使接收到的信号与本地产生的本地码相差在一个码片内，确保跟踪的正常进行。常用的捕获算法有时域串行频域串行搜索捕获算法、时域并行频域串行搜索捕获算法和时域串行频域并行搜索捕获算法。当捕获到了初始C/A码相位和多普勒频率时，进一步需要利用跟踪环路得到精确地生成本地载波和C/A码相位。将GPS的输入信号和本地载波相乘以剥离卫星信号中的载波部分，再和本地C/A码相乘实现解扩。当跟踪环路能够稳定的跟踪信号以后，使用比特同步及帧同步同步发射信号。最后进行PRN测距，即根据接收端与发送端的扩频码相位差推算出两段之间的距离，到达卫星SVi（i是PRN的号码）的伪距计算公式为：rho;_i=c[T_R(n)-T_Ti(n)],式中T_R(n)表示与接收机时钟第n历元相应的接收时间；T_Ti(n)表示基于SVi时钟的发射时间。关于GPS卫星信号接收机的结构及处理见于参考文献【2】。

随着GPS系统的不断发展与广泛应用，对新的GPS民用码的需求愈发强烈，GPS L5信号应运而生。GPS L5采用码分多路复用（CDMA）将两个二进制直接序列扩频信号通过四相相移键控（QPSK）进行组合【3】。文献【4】使用了FFT算法对L5信号进行捕获，并使用EPL相关器跟踪信号以接收导航数据。

由于现存的商用现货的接收机缺乏灵活性以及新的信号与系统的不断发展，软件定义接收机因其便于人们开发新的信号与接收机系统的特点而越来越受到人们的青睐【5】。在此基础上开发了一种基于通用串行无线电外设的GNSS和干扰信号发生器与回放系统【6】，该系统相较于常见的高端GNSS信号发生器具有低成本、可携带、配置灵活的特点，推动了电离层闪烁干扰与接收机算法的研究。

尽管GPS信号使用了直接序列扩频，使得卫星广播信号到达接收天线时具有较低的信号功率，这也使得GNSS接收机易于受到多种干扰方式的影响，诸如伪GPS信号、阻塞攻击或是其他射频发射机的影响。文献【7】将民间的伪装者划分为简单、中等及复杂三个等级。简单的伪装者仅使用一台连有传输天线的GPS信号发生器进行攻击，这类伪装者易于检测因为他们并没有与真是信号的星空图同步。中等以上的攻击者了解卫星几何分布、多普勒频移、导航数据比特以及接收信号功率，这使得他们的攻击难于发现。文献【8】提出了一种信号质量监测技术在码及载波跟踪阶段的伪GPS信号识别技术。当伪GPS信号试图与真实GPS信号同步并入侵接收机载波跟踪环路时，信号的自相关函数发生变化使得信号质量下降，通过计算并观察比率检测因子的变化可以监测到伪GPS信号。文献【9】提出基于信号空间相关性的伪GPS信号检测技术。由于伪装者需要通过一个信号源同时发送高相关性的GNSS信号给接收机，而来自同一台发射机的信号带有相同的空间特征，因此可以用来检测伪GPS信号。

生成与接收到伪GPS信号后，需要对伪GPS信号的指纹特征进行识别提取。射频指纹是无线通信设备的重要身份特征，可用于无线通信设备的身份识别和接入认证【10】。就像每个人有不同的指纹，每个无线设备也有不同的射频指纹——即硬件的差异。根据通信信号提取设备硬件特征的方法被称为“射频指纹提取”，利用射频指纹对不同的无线设备进行识别的方法被称为“射频指纹识别”。在采集信号并进行预处理后，识别系统检测和截取可识别信号，将这段信号进行射频指纹变换，变换到时域、频域或小波域提取设备相关的特征，构成一个特征向量作为设备的射频指纹，实现身份识别等安全功能。

参考文献：

1. 姚铭.基于FPGA的伪GPS卫星信号的研究与实现[D].湖北：湖北工业大学，2009
2. 王建平.GNSS接收机跟踪环路的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010
3. 姜庆国，向才炳，刘书阳.GPS L5载频信号分析[J].舰船电子工程，2010，（3）：89-91
4. Choi Seung Hyun, Kim Jae Hyun, Cheon Sig Shin, Sang Uk Lee, Jae Hoon Kim. Acquisition and Tracking Schemes for a GPS L5 receiver[C]. International Conference on Control, Automation and Systems 2008, Seoul, Korea,p.2214-2217,Oct.14-17,2008.
5. Carles Fernandez-Prades, Javier Arribas, Pau Colsas, Carlos Aviles, Luis Esteve. GNSS-SDR: an Open Source Tool For Researchers and Developers.
6. Ruihui Di, Senlin Peng, Steve Taylor, Yu Morton. A USRP-Based GNSS and Interference Signal Generator and Playback System[C]. Position Location and Navigation Symposium,2012 IEEE/ION, April 2012,p.470-478.
7. T.E.Humphrey. Assessing the spoofing threat:development of a portable GPS civilian spoofer. Proc.of ION GNSS 2008, Savannah, GA, 16-19 September 2008.
8. Antonio Cavaleri, Beatrice Motella, Marco Pini, Maurizio Fantino. Detection of spoofed GPS Signals at Code and Carrier Tracking Level[C]. Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing, 2010 5^th ESA Workshop, December 2010, p.1-6.
9. Ali Broumandan, Ali Jafarnia-Jahromi, Vahid Dehghanian, John Nielsen, Gerard Lachapelle. GNSS Spoofing Detection in Handheld Receiver based on Signal Spatial Correlation. Position Location and Navigation Symposium, 2012 IEEE/ION, 23-26 April 2012.
10. 俞佳宝，胡爱群，朱长明，彭林宁，姜禹.无线通信设备的射频指纹提取与识别方法[J].密码学报，2016,3（5）.