一种针对GSS授时接收机的时间欺骗方法
一种针对gnss授时接收机的时间欺骗方法
技术领域
1.本发明涉及一种针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，属于导航时间欺骗干扰控制技术领域。
背景技术：
2.全球卫星导航系统(global navigation satellite system,gnss)广泛用于为电力、邮电、通信等网络系统授时与校频。卫星导航欺骗式干扰技术是一种新兴的导航干扰技术，因其具有隐蔽性强、威胁性大的特点，逐渐成为导航干扰技术研究的热点之一。针对基础设施中配置的gnss授时接收机实施欺骗干扰，通过引入时间误差破坏系统时间，从而使其电力、通讯等系统瘫痪，可达到对敌软打击的目的。一般认为欺骗式干扰大多欺骗目标的定位结果，因此较少关注对目标授时结果的欺骗。而对授时结果的欺骗对目标的危害性大且极为隐蔽。
3.一系列实验证明时间欺骗能明显对依赖时间的各种系统造成重大影响。northrop grumman information systems(ngis)和the university of texas(ut)经测试证明gps欺骗器可通过广播欺骗信号使同步相量测量(phase measurement units,pmus)用于计时的gnss授时接收机跟踪欺骗信号，从而控制pmus的计时，欺骗信号引起的时间偏移会在pmus测量的相位角中产生相应的变化(欺骗发生后约11分钟内，可使pmus违反ieee c37.118标准的同步相量)。zhenghao zhang等提出了一种新的时间同步攻击(time synchronization attack，tsa)方法来攻击智能电网中的时间信息，并用数值模拟验证了有效性。qian bin等发现基于gps欺骗的tsa引起的时间同步混乱可能会使先进的计量基础架构(advanced metering infrastructure,ami)的前端系统(head end system,hes)功能失效，并提出了一种基于时间抖动的检测算法来识别和防御gps时间欺骗。但daniele borio等指出虽然干扰抑制技术可显著提高gnss接收机在受到干扰时的性能，它们也会对gnss定时结果造成失真、偏差和延迟。高扬骏等基于美国德克萨斯大学的德州欺骗测试集(texas spoofing test battery，texbat)数据，对不同场景时间欺骗对接收机影响进行了分析。结果表明：接收机定时结果易受欺骗干扰的影响，欺骗信号功率、频率锁定模式是影响时间欺骗效果的重要因素。
4.时间欺骗可通过改变伪距观测量实现。黄龙提出了一种针对gnss授时接收机的转发式欺骗干扰系统的设计算法，理论分析和仿真结果表明，通过对转发系统时延的精密控制和对目标接收机天线位置的精确标定，可以以94.9％概率有效控制gnss授时接收机时间，且隐蔽性强。彭晨曦使欺骗信号不同卫星的伪距修改量相同，在不改变接收机位置情况下修改解算的时间信息。在欺骗商用授时型接收机的实验中发现，当欺骗信号码相位接近真实信号时，接收机钟差出现μs量级跳变，继续调整欺骗信号码相位可将接收机钟差拉偏。如果码相位变化速率过快，钟差也会出现跳变。其推测由于仅修改码相位改变钟差而没有修改载波多普勒改变钟漂，导致接收机钟差和钟漂结果不自洽。胡彦逢等提出了一种转发式欺骗干扰的钟差补偿算法，仿真结果表明该算法可在对目标接收机进行位置欺骗时，有
效减小对其钟差的影响。值得注意的是，算法的转发式模型中将欺骗器的处理延时和欺骗信号欺由欺骗器至目标接收机的传播时延完全被目标接收机钟差吸收。在采用钟差补偿算法前，欺骗器对转发信号的主动延时完全被目标接收机坐标吸收，而采用钟差补偿算法后，欺骗器对转发信号的原先主动延时仍被目标接收机坐标吸收，而主动延时调整部分被目标接收机钟差所吸收。赵香香经仿真实验证明，针对多峰值欺骗检测算法，欺骗方可通过使目标接收的欺骗信号时延为伪码周期整数倍，并随时间自适应动态调整转发时延，有效欺骗静态接收机的时钟。何婷提出按正六边形网型布设欺骗器，针对具有抗差自适应钟差跳变检测功能的目标接收机，确定单台欺骗器覆盖半径最优取值为10km，相邻欺骗器间距最优取值为17km。
5.时间欺骗也可通过修改gnss时间戳和修改信号传播时间两种算法实现。xiao wei经实验表明，通过修改gps时间戳，可以在较小的伪距误差(248.6m)和较小的定位误差(53.2m)下进行严重的gps时间欺骗。通过对所有gps信号插入相同的延迟量，也可以实现欺骗，伪距误差小于5nm，定位误差为283.6m。与gps定位精度相比，这些低误差攻击很难仅仅从定位误差或计算伪距中检测出来。相反，当在每个信号中插入随机时延来控制传播时间时，伪距误差和接收机定位误差可达数千米，这对检测来说是非常明显的。
技术实现要素：
6.本发明的目的是提供一种针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，用于在接收机进行历元伪距定位定时解算时达到时间欺骗目的。
7.本发明为解决上述技术问题而提供一种针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，该方法包括以下步骤：
8.1)获取真实卫星信号，所述的真实卫星信号包括接收机进行伪距定位定时解算的各路卫星信号；
9.2)对各路卫星信号采用修改伪距的时间欺骗算法、或修改卫星位置的时间欺骗算法或者同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法进行处理，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算；
10.所述修改伪距的时间欺骗算法指的是在所述各路卫星信号中加入相等的伪距偏差；
11.所述修改卫星位置的时间欺骗算法指的是对所述各路卫星信号中的卫星位置信号加入相应的位置偏差；
12.所述同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法指的是同时修改各路卫星信号的伪距和卫星位置。
13.本发明通过对真实信号中的参数进行调整，使得各路卫星信号都加入相等伪距偏差、或各卫星位置都加入相应位置偏差、或者同时加入相等伪距偏差和加入相应位置偏差，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算，实现接收机进行历元伪距定位定时解算时达到时间欺骗目的。
14.进一步地，当采用修改伪距的时间欺骗算法时，可通过给导航信号附加时延的方式实现。
15.进一步地，当采用修改卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改星历参数中i0、
ω0、ω、c
uc
、c
us
、c
rc
、c
rs
、c
ic
、c
is
来改变卫星位置，i0为星历参考时间t
oe
时的轨道倾角，ω0为周内时等于0时的轨道升交点赤经，ω为轨道近地角距，为轨道倾角对时间的变化率，为轨道升交点赤经对时间的变化率，c
uc
为升交点角距余弦调和校正振幅，c
us
为升交点角距正弦调和校正振幅，c
rc
为轨道半径余弦调和校正振幅，c
rs
为轨道半径正弦调和校正振幅，c
ic
为轨道倾角余弦调和校正振幅，c
is
为轨道半径正弦调和校正振幅。
16.进一步地，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改卫星轨道长半轴as的平方根平均运动角速度校正值δn、星历参考时间t
oe
时的平近点角m0、轨道偏心率es来同时改变伪距观测量和卫星位置。
17.进一步地，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改星历参考时间t
oe
来同时改变伪距观测量和卫星位置。
18.进一步地，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改卫星时钟校正模型方程的三个系数a
f0
、a
f1
、a
f2
、单频接收机存在的波延时校正值的偏差δt
gd
来同时改变伪距观测量和卫星位置。
19.进一步地，当采用修改伪距的时间欺骗算法时，增加的伪距偏差量δρ为：
20.gδ≈δρ
21.δ＝[δxu,δyu,δzu,δδu]
t
[0022]
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρn[0023]
其中n为卫星的个数；g为雅可比矩阵，其只与各颗卫星相对用户的几何位置有关；δ表示期望得到的接收机空间直角坐标偏差和接收机钟差的偏差；ri表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；δδu为期望得到的接收机钟差的偏差；(δxu,δyu,δzu)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差；δρi为prn号为i的卫星的伪距偏差量。
[0024]
进一步地，当采用修改卫星位置的时间欺骗算法时，采用以下公式计算卫星位置偏差量：
[0025]
[0026][0027]
其中[δxi,δyi,δzi]为prn号为i的卫星的位置偏差量；ri表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；(δxu,δyu,δzu)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差，b为一实数。
[0028]
进一步地，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，伪距观测量和卫星位置偏差量采用的计算公式为：
[0029][0030]
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρn＝d
[0031][0032]
其中[δxi,δyi,δzi]为prn号为i的卫星的位置偏差量；ri表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；(δxu,δyu,δzu)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差，b为一实数，δρi为prn号为i的卫星的伪距偏差量，b为一实数。
附图说明
[0033]
图1是针对gnss授时接收机的时间欺骗方法的流程图；
[0034]
图2是本发明仿真实验中加入伪距偏差前后的接收机钟差示意图；
[0035]
图3是本发明仿真实验中加入伪距偏差前后的接收机空间直角坐标示意图；
[0036]
图4是本发明仿真实验中加入伪距偏差前后的接收机钟差偏差示意图；
[0037]
图5是本发明仿真实验中加入伪距偏差前后的接收机空间直角坐标偏差示意图；
[0038]
图6是本发明仿真实验中修改卫星位置前后的接收机钟差示意图；
[0039]
图7是本发明仿真实验中修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标示意图；
[0040]
图8是本发明仿真实验中修改卫星位置前后的接收机钟差偏差示意图；
[0041]
图9是本发明仿真实验中修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标偏差示意图；
[0042]
图10是本发明仿真实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机钟差示意图；
[0043]
图11是本发明仿真实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机空间
直角坐标示意图；
[0044]
图12是本发明仿真实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机钟差偏差示意图；
[0045]
图13是本发明仿真实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标偏差示意图；
[0046]
图14是本发明实测实验中加入伪距偏差前后的接收机钟差示意图；
[0047]
图15是本发明实测实验中加入伪距偏差前后的接收机空间直角坐标示意图；
[0048]
图16是本发明实测实验中加入伪距偏差前后的接收机钟差偏差示意图；
[0049]
图17是本发明实测实验中加入伪距偏差前后的接收机空间直角坐标偏差示意图；
[0050]
图18是本发明实测实验中修改卫星位置前后的接收机钟差示意图；
[0051]
图19是本发明实测实验中修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标示意图；
[0052]
图20是本发明实测实验中修改卫星位置前后的接收机钟差偏差示意图；
[0053]
图21是本发明实测实验中修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标偏差示意图；
[0054]
图22是本发明实测实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机钟差示意图；
[0055]
图23是本发明实测实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标示意图；
[0056]
图24是本发明实测实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机钟差偏差示意图；
[0057]
图25是本发明实测实验中同时加入伪距偏差和修改卫星位置前后的接收机空间直角坐标偏差示意图。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
[0059]
本发明通过获取真实卫星信号，其中真实卫星信号包括接收机进行伪距定位定时解算的各路卫星信号；然后对各路卫星信号采用修改伪距的时间欺骗算法、修改卫星位置的时间欺骗算法或者同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法进行处理，控制接收机时钟偏差，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算，以达到时间欺骗的目的，该方法的实现流程如图1所示。
[0060]
在对各时间欺骗算法进行详细说明之前，先对gnss授时接收机的工作原理以及相应的时间欺骗方式进行说明。
[0061]
gnss授时接收机由天线、射频前端、基带处理和时间生成四部分组成。工作在授时模式时，选择最优卫星信号组合和授时方式经处理得到钟差信息，通过驯服滤波模块控制本地频标，进而驱动时频信号和时间信息的生成。由欺骗方播发的gnss欺骗信号在接管目标gnss授时接收机后，可通过改变伪距观测量或导航电文信息，使gnss授时接收机在改变定时结果的同时，不改变定位结果，达到时间欺骗的目的。
[0062]
在导航电文的16个卫星星历参数中，若修改以下4个星历参数(4个参数中修改1个参数或多个参数)：卫星轨道长半轴as的平方根平均运动角速度校正值δn、星历参考时间t
oe
时的平近点角m0、轨道偏心率es，则卫星钟差的相对论效应校正量δtr被改变，那么
由于卫星信号发射时间被改变，因此伪距观测量和卫星位置都被改变，同时修改星历参数也会改变卫星位置，因此，修改上述4个卫星参数将同时改变伪距观测量和卫星位置；若修改16个卫星星历参数中的星历参考时间t
oe
，则改变卫星钟差，那么由于卫星信号发射时间被改变，因此伪距观测量和卫星位置都被改变，同时修改星历参数也会改变卫星位置，因此，修改t
oe
将同时改变伪距观测量和卫星位置。若修改16个星历参数中其余11个星历参数(t
oe
时的轨道倾角i0、周内时等于0时的轨道升交点赤经ω0、轨道近地角距ω、轨道倾角对时间的变化率轨道升交点赤经对时间的变化率升交点角距余弦调和校正振幅c
uc
、升交点角距正弦调和校正振幅c
us
、轨道半径余弦调和校正振幅c
rc
、轨道半径正弦调和校正振幅c
rs
、轨道倾角余弦调和校正振幅c
ic
、轨道半径正弦调和校正振幅c
is
)，则仅改变卫星位置而不改变伪距观测量。
[0063]
若修改导航电文中以下4个时间电文参数：卫星时钟校正模型方程的三个系数a
f0
、a
f1
、a
f2
、单频接收机存在的波延时校正值的偏差δt
gd
，则改变卫星钟差，那么由于卫星信号发射时间被改变，因此伪距观测量和卫星位置都被改变。修改交接字(handover word，how)也将改变伪距观测量和卫星位置。
[0064]
因此修改上述导航电文参数的方式，将至少改变卫星位置，若仅改变伪距观测量而不改变卫星位置，则应通过给导航信号附加时延的方式实现。
[0065]
1.获取gnss授时接收机的真实卫星信号。
[0066]
获取的真实卫星信号包括接收机进行伪距定位定时解算的各路卫星信号。
[0067]
2.对各路卫星信号采用修改伪距的时间欺骗算法、修改卫星位置的时间欺骗算法或者同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法进行处理，控制接收机时钟偏差，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算。
[0068]
1)修改伪距的时间欺骗算法
[0069]
通过合理修改各路欺骗信号的伪距变化量，改变目标接收机定时结果而不改变其定位结果。假设k时刻目标接收机对应prn号为i的卫星的伪距ρi存在偏差δρi，观测方程为：
[0070]ri
+δtu+δδtu＝ρi+δρiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
其中，δtu表示接收机钟差(等价以m为单位)，δδtu表示因修改伪距引起的接收机钟差的偏差(等价以m为单位)，ri表示为：
[0072][0073]
δxu＝[δxu,δyu,δzu]
t
表示因修改伪距引起的接收机空间直角坐标偏差。将上述观测方程在接收机空间直角坐标xu＝[xu,yu,zu]
t
、接收机钟差δtu进行一阶泰勒展开，可得：
[0074][0075]
其中，ri表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离。若有接收机利用n颗卫星伪距定位，上式可表示为：
[0076]
gδ≈δρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0077]
令g表示雅可比矩阵，其只与各颗卫星相对用户的几何位置有关，δ表示期望得到
的接收机空间直角坐标偏差和接收机钟差的偏差(根据实际需求设定)，δρ表示n颗卫星的伪距偏差向量。g、δρ、δ表达式为：
[0078]
δ＝[δxu,δyu,δzu,δδu]
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0079]
根据伪距定位原理，式(4)可求解为：
[0080]
δ≈(g
t
g)-1gt
δρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0081]
要使接收机空间直角坐标不变的同时改变接收机钟差，则应满足δρ中n颗卫星的伪距偏差相等，即：
[0082]
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0083]
利用雅可比矩阵，将期望接收机空间直角坐标偏差和接收机钟差的偏差输入到公式(4)中，即可得到各卫星的伪距偏差值。
[0084]
2)修改卫星位置的时间欺骗算法
[0085]
在不改变伪距观测量的前提下，通过合理修改卫星位置来改变接收机定时结果。假设k时刻prn号为i的卫星空间直角坐标xi＝[xi,yi,zi]
t
的偏差为δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
，目标接收机对应prn号为i的卫星的观测方程为：
[0086][0087]
其中，δδtu表示因修改卫星位置引起的接收机钟差的偏差(等价以m为单位)，ρi与修改卫星位置前伪距相比保持不变，表示为：
[0088][0089]
δxu＝[δxu,δyu,δzu]
t
表示因修改卫星位置引起的接收机空间直角坐标偏差。将上述观测方程在卫星空间直角坐标xi＝[xi,yi,zi]
t
、接收机空间直角坐标xu＝[xu,yu,zu]
t
、接收机钟差δtu进行一阶泰勒展开，可得：
[0090][0091]ri
表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离。对观测方程式(8)中卫星空间直角坐标xi＝[xi,yi,zi]
t
、接收机空间直角坐标xu＝[xu,yu,zu]
t
分别求偏导，可得：
[0092][0093]
将式(8)和式(11)代入式(10)，可得：
[0094][0095]
若有接收机利用n颗卫星伪距定位，上式可表示为：
[0096]
gδ≈δs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0097]
令g表示雅可比矩阵，其只与各颗卫星相对用户的几何位置有关，g、δ、δs表达式为：
[0098]
δ＝[δxu,δyu,δzu,δδu]
t
[0099][0100]
根据伪距定位原理，式(13)可求解为：
[0101]
δ≈(g
t
g)-1gt
δs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0102]
依据式(15)，即可根据卫星空间直角坐标偏差计算引起的定位定时偏差。要使目标接收机仅改变定时结果，定位结果保持不变，因此应满足δs的每行元素相等，即：
[0103][0104]
其中b为某一实数，即以式(16)作为解算(15)的约束条件。当k时刻卫星i空间直角坐标的偏差矢量δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
、卫星i和接收机之间几何距离矢量ri，以上两个向量平行时，即修改后的卫星i空间直角坐标的偏差矢量在卫星i和接收机之间几何距离矢量的延长线处，等效于使伪距ρi延长，表达式如式(17)。
[0105][0106]
将式(17)代入式(16)，可得式(18)：
[0107][0108]
根据式(13)、(18)，可由所需引入的δδu计算δxi，再由式(17)可得到k时刻卫星i空间直角坐标的偏差δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
。
[0109]
3)同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法
[0110]
通过合理修改卫星位置及伪距观测量来改变接收机定时结果。假设第i颗卫星空间直角坐标xi＝[xi,yi,zi]
t
的偏差为δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
，对应该颗卫星的伪距ρi存在偏差δρi，则目标接收机对应第i颗卫星的观测方程为：
[0111][0112]
将上述观测方程在卫星空间直角坐标xi＝[xi,yi,zi]
t
、接收机空间直角坐标xu＝[xu,yu,zu]
t
、接收机钟差δtu进行一阶泰勒展开，根据步骤1)和步骤2)的推导，若有接收机利用n颗卫星伪距定位，可得：
[0113]
gδ≈δρ+δs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0114]
根据伪距定位原理，式(20)可求解为：
[0115]
δ≈(g
t
g)-1gt
(δs+δρ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0116]
依据式(21)，即可根据卫星空间直角坐标偏差计算引起的定位定时偏差。要使目标接收机仅改变定时结果，定位结果保持不变，因此应满足δs+δρ的每行元素相等，即：
[0117][0118]
其中b为某一实数，即以式(22)作为解算(21)的约束条件。
[0119]
要使接收机空间直角坐标不变的同时改变接收机钟差，此处令δ
ρ
中n颗卫星的伪距偏差都为d，d满足0《d＜b，即：
[0120]
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρn＝d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0121]
另外，使k时刻卫星i空间直角坐标的偏差矢量δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
、卫星i和接收机之间几何距离矢量ri，以上两个向量平行时，等效于使伪距ρi延长，表达式如式(17)。将式(17)代入式(22)，可得式(24)：
[0122][0123]
根据式(20)、(23)、(24)，可由所需引入的δδu计算δxi，再由式(17)可得到k时刻卫星i空间直角坐标的偏差δxi＝[δxi,δyi,δzi]
t
。
[0124]
仿真实验验证
[0125]
下面分别对修改伪距的时间欺骗方法、修改卫星位置的时间欺骗方法以及同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗方法进行仿真实验验证。欺骗目的是使目标接收机在单历元伪距定位定时解算中引入10μs的定时偏差，即3000m的距离偏差，同时不引入定位偏差。
[0126]
实验一：采用修改伪距的时间欺骗算法，在历元k，接收机采用6颗卫星进行伪距定位定时解算，使6路卫星信号都加入相等伪距偏差，在伪距定位定时解算时，接收机采用最小二乘法求解每次牛顿迭代循环，取历元k的迭代次数为3-6次，图2中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差时和加入伪距偏差时的接收机钟差，图2中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差时和加入伪距偏差时的接收机空间直角坐标，图4表示加入伪距偏差时和不加入伪距偏差时接收机钟差偏差，图5表示加入伪距偏差时和不加入伪距偏差时接收机空间直角坐标偏差。
[0127]
根据图2和图4(为方便表示，图4为接收机钟差δtu与3000的差值)，在修改伪距后，接收机钟差引起3000m的变化；根据图3和图5，在修改伪距后，接收机空间直角坐标几乎没有发生变化因此说明对于目标接收机的单历元伪距定位定时解算，修改伪距的时间欺骗算法能达到时间欺骗目的。
[0128]
实验二：采用修改卫星位置的时间欺骗算法，在历元k，接收机采用6颗卫星进行伪距定位定时解算，按照步骤2)的计算算法使6颗卫星位置都加入相应位置偏差，在伪距定位定时解算时，接收机采用最小二乘法求解每次牛顿迭代循环，取历元k的迭代次数为3-6次，图6中虚线和实线分别表示不修改卫星位置时和修改卫星位置时的接收机钟差，图7中虚线和实线分别表示不修改卫星位置时和修改卫星位置时的接收机空间直角坐标，图8表示修改卫星位置时和不修改卫星位置时接收机钟差偏差，图9表示修改卫星位置时和不修改卫星位置时接收机空间直角坐标偏差。
[0129]
根据图6和图8，在修改卫星位置后，接收机空间直角坐标改变了124.74m；根据图7和图9，在修改卫星位置后，接收机钟差偏差与3000m差值为-128.71m。因此说明对于目标接收机的单历元伪距定位定时解算，修改卫星位置的时间欺骗算法基本能达到时间欺骗目的。
[0130]
实验三：采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗方法，在历元k，接收机采用6颗卫星进行伪距定位定时解算，按照步骤3)的计算算法使6颗卫星位置都加入相应位置偏差、6路卫星信号都加入相应伪距偏差d＝1500m，则式(24)中，b-d＝1500m，在伪距定位定时解
算时，接收机采用最小二乘法求解每次牛顿迭代循环，取历元k的迭代次数为3-6次，图10中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差和不修改卫星位置时、加入伪距偏差和修改卫星位置时的接收机钟差，图11中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差和不修改卫星位置时、加入伪距偏差和修改卫星位置时的接收机空间直角坐标，图12表示加入伪距偏差和修改卫星位置时、不加入伪距偏差和不修改卫星位置时接收机钟差偏差，图13表示加入伪距偏差和修改卫星位置时、不加入伪距偏差和不修改卫星位置时接收机空间直角坐标偏差。
[0131]
根据图10和图12，在同时修改伪距和卫星位置后，接收机钟差偏差与3000m差值为-64.35m；根据图11和图13，在同时修改伪距和卫星位置后，接收机空间直角坐标改变了62.37m。因此说明对于目标接收机的单历元伪距定位定时解算，同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法较好地达到了时间欺骗目的。
[0132]
表1为上述三个实验的结果数据统计，其中δr表示接收机空间直角坐标偏差。由表1可见，修改伪距的时间欺骗算法效果最优，接收机钟差偏差与3000m差值平均值为-1.16
×
10-8
m，接收机空间直角坐标改变平均值为-1.56
×
10-8
m，可认为完全达到了时间欺骗的目的；修改卫星位置的时间欺骗算法效果稍差，接收机钟差偏差与3000m差值为-128.71m，接收机空间直角坐标改变了124.74m，可认为基本达到了时间欺骗的目的；同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法效果介于上述两种算法之间，接收机钟差偏差与3000m差值为-64.35m，接收机空间直角坐标改变了62.37m，可认为较好地达到了时间欺骗的目的。
[0133]
表1
[0134][0135]
实测实验验证
[0136]
下面分别对修改伪距的时间欺骗算法、修改卫星位置的时间欺骗算法以及同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法进行实测实验验证。欺骗目的是使目标接收机在各历元伪距定位定时解算中均引入10μs的定时偏差，即3000m的距离偏差，同时不引入定位偏差。
[0137]
实验采用curin gnss-span group提供的开源gnss观测数据。选取连续运行参考站(continuously operating reference stations，cors)为cuta0，接收机天线采用trm 59800.00scis，接收机采用javad tre_g3th_8，观测时段从2018年1月4日0时0分0秒至2018年1月4日3时0分0秒，观测时长共3h。观测数据更新间隔为30s。
[0138]
实验四：采用修改伪距的时间欺骗算法，在历元k，接收机采用4颗以上卫星进行伪距定位定时解算，按照步骤1)的计算算法使各路卫星信号都加入相等伪距偏差，图14中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差时和加入伪距偏差时的接收机钟差，图15中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差时和加入伪距偏差时的接收机空间直角坐标，图16表示加入伪距偏差时和不加入伪距偏差时接收机钟差偏差，图17表示加入伪距偏差时和不加入伪距偏差时接收机空间直角坐标偏差。
[0139]
根据图14和图16(为方便表示，图16为接收机钟差δtu与3000的差值)，在修改伪距后，接收机钟差引起3000m的变化；根据图15和图17，在修改伪距后，接收机空间直角坐标几
乎没有发生变化。因此说明对于目标接收机的伪距定位定时解算，修改伪距的时间欺骗算法能达到时间欺骗目的。
[0140]
实验五：采用修改卫星位置的时间欺骗算法，在历元k，接收机采用4颗以上卫星进行伪距定位定时解算，按照步骤2)节的计算算法使各颗卫星位置都加入相应位置偏差，图18中虚线和实线分别表示不修改卫星位置时和修改卫星位置时的接收机钟差，图19中虚线和实线分别表示不修改卫星位置时和修改卫星位置时的接收机空间直角坐标，图20表示修改卫星位置时和不修改卫星位置时接收机钟差偏差，图21表示修改卫星位置时和不修改卫星位置时接收机空间直角坐标偏差。
[0141]
根据图18和图20，在修改卫星位置后，接收机钟差偏差与3000m差值平均值为-117.80m；根据图19和图21，在修改卫星位置后，接收机空间直角坐标改变平均值为109.08m。因此说明对于目标接收机的单历元伪距定位定时解算，修改卫星位置的时间欺骗算法基本能达到时间欺骗目的。
[0142]
实验六：采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法，在历元k，接收机采用4颗以上卫星进行伪距定位定时解算，按照步骤3)的计算算法使各颗卫星位置都加入相应位置偏差、各路卫星信号都加入相应伪距偏差d＝1500m，则式(24)中，b-d＝1500m，图22中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差和不修改卫星位置时、加入伪距偏差和修改卫星位置时的接收机钟差，图23中虚线和实线分别表示不加入伪距偏差和不修改卫星位置时、加入伪距偏差和修改卫星位置时的接收机空间直角坐标，图24表示加入伪距偏差和修改卫星位置时、不加入伪距偏差和不修改卫星位置时接收机钟差偏差，图25表示加入伪距偏差和修改卫星位置时、不加入伪距偏差和不修改卫星位置时接收机空间直角坐标偏差。
[0143]
根据图22和图24，在同时修改伪距和卫星位置后，接收机钟差偏差与3000m差值平均值为-58.90m；根据图23和图25，在同时修改伪距和卫星位置后，接收机空间直角坐标改变平均值为54.55m。因此说明对于目标接收机的单历元伪距定位定时解算，同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法较好地达到了时间欺骗目的。
[0144]
表2为上述三个实验的结果数据统计，其中δr表示接收机空间直角坐标偏差。由表2可见，修改伪距的时间欺骗算法效果最优，可认为完全达到了时间欺骗的目的；修改卫星位置的时间欺骗算法效果稍差，接收机空间直角坐标改变平均值为109.08m，接收机钟差偏差与3000m差值平均值为-117.80m，可认为基本达到了时间欺骗的目的；同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法效果介于上述两种算法之间，接收机空间直角坐标改变平均值为54.55m，接收机钟差偏差与3000m差值平均值为-58.90m，可认为较好地达到了时间欺骗的目的。
[0145]
表2
[0146][0147]
虽然相比于修改伪距的时间欺骗算法，修改卫星位置的时间欺骗算法效果稍差，但后者不需加入伪距时延，可通过修改导航电文参数的方式实现，因此不容易被目标接收
机检测到伪距时延从而检测到欺骗，而且实际上，修改卫星位置的时间欺骗算法也基本达到了时间欺骗的目的。
技术特征：
1.一种针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取真实卫星信号，所述的真实卫星信号包括接收机进行伪距定位定时解算的各路卫星信号；2)对各路卫星信号采用修改伪距的时间欺骗算法、或修改卫星位置的时间欺骗算法或者同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法进行处理，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算；所述修改伪距的时间欺骗算法指的是在所述各路卫星信号中加入相等的伪距偏差；所述修改卫星位置的时间欺骗算法指的是对所述各路卫星信号中的卫星位置信号加入相应的位置偏差；所述同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法指的是同时修改各路卫星信号的伪距和卫星位置。2.根据权利要求1所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用修改伪距的时间欺骗算法时，可通过给导航信号附加时延的方式实现。3.根据权利要求1所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用修改卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改星历参数中i0、ω0、ω、c
uc
、c
us
、c
rc
、c
rs
、c
ic
、c
is
来改变卫星位置，i0为星历参考时间t
oe
时的轨道倾角，ω0为周内时等于0时的轨道升交点赤经，ω为轨道近地角距，为轨道倾角对时间的变化率，为轨道升交点赤经对时间的变化率，c
uc
为升交点角距余弦调和校正振幅，c
us
为升交点角距正弦调和校正振幅，c
rc
为轨道半径余弦调和校正振幅，c
rs
为轨道半径正弦调和校正振幅，c
ic
为轨道倾角余弦调和校正振幅，c
is
为轨道半径正弦调和校正振幅。4.根据权利要求1所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改卫星轨道长半轴a
s
的平方根平均运动角速度校正值δn、星历参考时间t
oe
时的平近点角m0、轨道偏心率e
s
来同时改变伪距观测量和卫星位置。5.根据权利要求1所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改星历参考时间t
oe
来同时改变伪距观测量和卫星位置。6.根据权利要求1所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，可通过修改卫星时钟校正模型方程的三个系数a
f0
、a
f1
、a
f2
、单频接收机存在的波延时校正值的偏差δt
gd
来同时改变伪距观测量和卫星位置。7.根据权利要求2所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用修改伪距的时间欺骗算法时，增加的伪距偏差量δρ为：gδ≈δρ
δ＝[δx
u
,δy
u
,δz
u
,δδ
u
]
t
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρ
n
其中n为卫星的个数；g为雅可比矩阵，其只与各颗卫星相对用户的几何位置有关；δ表示期望得到的接收机空间直角坐标偏差和接收机钟差的偏差；r
i
表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；δδ
u
为期望得到的接收机钟差的偏差；(δx
u
,δy
u
,δz
u
)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差；δρ
i
为prn号为i的卫星的伪距偏差量。8.根据权利要求3所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用修改卫星位置的时间欺骗算法时，采用以下公式计算卫星位置偏差量：改卫星位置的时间欺骗算法时，采用以下公式计算卫星位置偏差量：其中[δx
i
,δy
i
,δz
i
]为prn号为i的卫星的位置偏差量；r
i
表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；(δx
u
,δy
u
,δz
u
)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差，b为一实数。9.根据权利要求4-6中任一项所述的针对gnss授时接收机的时间欺骗方法，其特征在于，当采用同时修改伪距和卫星位置的时间欺骗算法时，伪距观测量和卫星位置偏差量采用的计算公式为：
δρ1＝δρ2＝
…
＝δρ
n
＝d其中[δx
i
,δy
i
,δz
i
]为prn号为i的卫星的位置偏差量；r
i
表示prn号为i的卫星和接收机之间几何距离；(δx
u
,δy
u
,δz
u
)为期望得到的接收机空间直角坐标偏差，b为一实数，δρ
i
为prn号为i的卫星的伪距偏差量，b为一实数。
技术总结
本发明涉及一种针对GSS授时接收机的时间欺骗方法，属于导航时间欺骗干扰控制技术领域。本发明通过对真实信号中的参数进行调整，使得各路卫星信号都加入相等伪距偏差、或各卫星位置都加入相应位置偏差、或者同时加入相等伪距偏差和加入相应卫星位置偏差，使接收机按照处理后的卫星信号进行解算，实现接收机进行历元伪距定位定时解算时达到时间欺骗目的。并通过仿真实验和实测实验，进一步验证了本发明能够较好地达到了时间欺骗的目的。能够较好地达到了时间欺骗的目的。能够较好地达到了时间欺骗的目的。
