Phương pháp sinh dữ liệu mô phỏng GNSS đa hướng sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm

Bài viết này đề xuất phương pháp mô phỏng tín hiệu GNSS cho phép tạo ra tín hiệu đến từ nhiều hướng khác nhau và có thể tùy chỉnh pha ban đầu (phase offset) của các vệ tinh, làm thay đổi trực tiếp đến kết quả của các kỹ thuật ước lượng góc tới dựa trên trị đo.

Kỹ thuật điện tử PHƯƠNG PHÁP SINH DỮ LIỆU MÔ PHỎNG GNSS ĐA HƯỚNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM Nguyễn Văn Hiên1, Cao Văn Tồn2*, Nguyễn Đình Thuận1, Hồng Văn Hiệp1 Tóm tắt: Hiện nay, mơ tín hiệu GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sử dụng phổ biến hệ thống giả lập tín hiệu cho lĩnh vực kiểm thử máy thu GNSS đảm bảo an ninh Tuy nhiên, nhược điểm hệ thống mô tín hiệu mơ vệ tinh đến từ hướng, điều làm cho hệ thống dễ bị phát kỹ thuật thơng thường Do đó, báo đề xuất phương pháp mơ tín hiệu GNSS cho phép tạo tín hiệu đến từ nhiều hướng khác tùy chỉnh pha ban đầu (phase offset) vệ tinh, làm thay đổi trực tiếp đến kết kỹ thuật ước lượng góc tới dựa trị đo Kỹ thuật sinh tín hiệu giả lập có tính linh hoạt cao, tạo nhiều tình cơng giả mạo khác với chi phí thấp Các kết thử nghiệm mơ cho thấy, tín hiệu mơ hồn tồn tương tự với tín hiệu thu thực tế, đó, giúp cho mơ có khả vượt qua phương pháp phát tín hiệu giả mạo tiên tiến Từ khóa: Định vị vệ tinh; Vô tuyến định nghĩa phần mềm; Giả lập tín hiệu ĐẶT VẤN ĐỀ Mơ tín hiệu GNSS kỹ thuật phát tín hiệu tương tự tín hiệu vệ tinh định vị với tham số tín hiệu điều chỉnh Việc điều chỉnh tham số tín hiệu nhằm mục đích điều chỉnh đầu thu định vị (vị trí, thời gian) Đối với dịch vụ sử dụng GNSS, giả mạo tín hiệu loại can nhiễu nguy hiểm [1, 7] Do đó, thu ln tìm cách phát chống lại kỹ thuật Ngày nay, kỹ thuật sinh tín hiệu giả mạo phát tín hiệu giả mạo ngày trở nên tinh vi phức tạp [14] Cùng với kỹ thuật phát tín hiệu giả mạo tín hiệu can nhiễu trở nên xác tin cậy Các cơng trình nghiên cứu gần công bố kỹ thuật phát phân loại loại can nhiễu (giả mạo tín hiệu, phá sóng, nhiễu đa đường) [8, 9] số kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng phá sóng, cơng giả mạo [13] Theo [17-21], kỹ thuật phát tín hiệu giả mạo phân loại sau: 1) Dựa vào đặc trưng tín hiệu (biên độ, cơng suất, tỉ số tín hiệu nhiễu,…); 2) Dựa vào tính quán thu liệu hệ thống đo lường qn tính; 3) Dựa vào góc tới vật lý; 4) Dựa vào mã xác thực (chỉ áp dụng với tín hiệu đặc biệt) Trong năm gần có nhiều nghiên cứu thực để mơ tín hiệu GNSS theo kịch khác như: mô dạng đơn giản, mô có độ phức tạp trung bình, mơ dạng phức tạp [1] Mơ dạng đơn giản: trình giả lập cấu tạo sinh tín hiệu GPS khuếch đại tín hiệu phát tín hiệu RF Hệ thống mô phát quảng bá tín hiệu GPS với cơng suất lớn tín hiệu GPS từ vệ tinh thật để che hoàn toàn tín hiệu thật truyền đến thu Hệ thống hoạt động đơn giản nên dễ dàng bị phát với giải thuật thông thường dựa đặc trưng tín hiệu 178 N V Hiên, …, H V Hiệp, “Phương pháp sinh liệu … điều khiển phần mềm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mơ có độ phức tạp trung bình: Hệ thống mô phối ghép thiết bị thu tín hiệu định vị từ vệ tinh thật mơ tín hiệu với thông số mô lấy trực tiếp từ thu Các liệu sinh gần giống tín hiệu vệ tinh thật thời gian, cơng suất, giá trị thiên văn,… Tuy nhiên, phát ăng ten nên giá trị góc tới vật lí vệ tinh giả lập giống Nhược điểm phương pháp dễ dàng bị phát kỹ thuật ước lượng góc tới dựa trị đo pha Mô dạng phức tạp: trình giả lập mạng trình giả lập độ phức tạp trung bình, trình giả lập đồng thời gian với Dạng mơ gần vơ hiệu hóa kỹ thuật phát giả mạo trang bị thu Tuy nhiên, việc tái tạo tín hiệu phức tạp nên chưa thấy có nghiên cứu hình thức giả lập dạng Bài báo đề xuất xây dựng hệ thống mô dạng phức tạp trình bày kết thử nghiệm với hệ thống mô Về bản, hệ thống mơ đề xuất có khả thay đổi giá trị độ lệch pha (phase offset) vệ tinh theo độ lệch pha vệ tinh thật phát nhiều frontend đồng với Hệ thống mô dễ dàng vượt qua kỹ thuật phát tín hiệu giả mạo thơng qua trị đo góc tới, phương pháp phát kỹ thuật phát tiên tiến, hiệu [12] Hơn nữa, sử dụng phần mềm để tạo tín hiệu nên hệ thống có tính linh hoạt cao, tính dễ dàng thêm vào cần thiết KỸ THUẬT MƠ PHỎNG TÍN HIỆU GNSS ĐA HƯỚNG Kiến trúc mơ tín hiệu GNSS dựa công nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm (SDR) biểu diễn hình Hình Kiến trúc mơ GNSS dựa công nghệ SDR Trong sơ đồ này, phân hệ lõi xử lý tín hiệu số đóng vai trị thực điều chế tín hiệu số GNSS, sau đó, tín hiệu số đưa đến frontend chuyển đổi số sang tương tự tương tự sang RF Lưu ý rằng, hệ thống đơn giản sử dụng frontend hệ thống mô phức tạp sử dụng nhiều frontend (mỗi frontend cho vệ tinh) Hệ thống phát tín hiệu phá sóng tất hệ thống GNSS giải phát (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou,…) Sau phát tín hiệu mơ GPS nhiễu mơ Các nhiễu mô đủ lớn để thu không bám theo tín hiệu vệ tinh hệ thống GNSS thực mà bám theo tín hiệu giả mạo Cấu trúc tín hiệu mà thu GNSS nhận có dạng sau [15]: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 179 Kỹ thuật điện tử (1) Trong đó: tín hiệu vệ tinh thứ k tần số L1; tín hiệu nhiễu tượng nhiễu đa đường gây ra, nhiễu đa đường tính tốn cách áp dụng mơ hình nhiễu đa đường khác nhau; tín hiệu can nhiễu, tín hiệu can nhiễu tính tốn từ mơ hình can nhiễu khác nhau; tổng hợp thành phần nhiễu khác; N, M, K tương ứng số lượng vệ tinh, số lượng tín hiệu bị ảnh hưởng hiệu ứng đa đường, số can nhiễu lên tín hiệu Đối với hệ thống mô phỏng, không xét đến hiệu ứng đa đường can nhiễu hai thành phần bỏ qua bỏ qua vai trị hai thành phần Tín hiệu vệ tinh thứ k tần số L1 mơ hình hóa sau: (2) Trong đó: lượng tín hiệu vệ tinh thu, lượng tính thơng qua tỷ số tín hiệu nhiễu người dùng chọn; trễ truyền lan vệ tinh k đến thu, tham số tính từ vị trí vệ tinh thời điểm t (lấy từ lịch thiên văn) vị trí thu – người dùng (tham số đầu vào máy thu); tần số Doppler gây chuyển động vệ tinh thu, thơng tin tính tốn từ vận tốc người dùng; tần số L1 GPS; độ lệch pha ban đầu, tham số cho người dùng tùy chọn; mã trải phổ vệ tinh k, thơng tin tra đặc tả hệ thống GPS; tin định vị vệ tinh k, thơng tin tính từ lịch thiên văn Hình Phương pháp sinh mã trải phổ GPS L1 [16] Các tham số lượng tín hiệu nhiễu xác định dựa cơng thức tính tốn tỉ số tín hiệu nhiễu thu sau: (3) 180 N V Hiên, …, H V Hiệp, “Phương pháp sinh liệu … điều khiển phần mềm.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ đó, , tương ứng lượng tín hiệu, lượng nhiễu băng thông nhiễu tương đương [16] Tham số tỉ số sóng mang nhiễu đầu vào mô Tham số khác cho vệ tinh Nếu khơng tính đến ảnh hưởng nhiễu tham số hồn toàn phụ thuộc vào khoảng cách từ vệ tinh đến thu Tuy nhiên, vai trò nhiễu tầng điện ly, đối lưu kể nhiễu khơng thể bỏ qua nên vai trị khoảng cách bỏ qua Giá trị độ lệch pha xác định dựa vào khoảng cách từ thu đến vệ tinh mơ Vị trí vệ tinh mô xác định dựa thông tin lịch thiên văn thời điểm mô [15] Các tham số lịch thiên văn tham số đưa vào để mã hóa luồng liệu Mã trải phổ tín hiệu xác định dựa theo tài liệu công bố GPS MƠ HÌNH KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG GĨC TỚI DỰA TRÊN TRỊ ĐO PHA Trong trường hợp xác định giá trị đo pha sóng mang hai thu độc lập nhận từ vệ tinh thời điểm mà khoảng cách hai thu nhỏ so với khoảng cách từ vệ tinh đến thu Khi đó, độ trễ tầng điện ly tầng đối lưu hai thu coi giống loại bỏ sai phân đơn Sai phân đơn trị đo pha vệ tinhnhư sau: (4) Trong đó: Chỉ số (1) (2) biểu thị phép đo hai thu riêng biệt; trị đo pha sóng mang vệ tinh thứ i (i = 0, 1, 2, , I), tính mét; khoảng cách hình học thu vệ tinh; sai phân thành phần khơng xác định pha sóng hai thu; lỗi đồng hồ thu; lỗi khơng mơ hình tín hiệu vệ tinh Sự khác biệt khoảng cách hình học vệ tinh thứ i thu biểu thị [11, 12]: (5) cos Trong đó: D khoảng cách hai ăng ten; giá trị góc tới vệ tinh i Phép tính sai phân kép trị đo pha (DD) sai phân đơn vệ tinh thứ i vệ tinh tham chiếu ‘0’, loại bỏ lỗi đồng hồ (4) thể biểu thức (6): (6) cos cos Sai phân phần nguyên không xác định loại bỏ thông qua hàm làm trịn sau: cos cos Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 (7) 181 Kỹ thuật điện tử Như (7) thành phần phần dư chứa sai phân góc tới vệ tinh Trong trường hợp tín hiệu vệ tinh phát hướng Trong trường hợp tín hiệu thu từ vệ tinh thực KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Để tiến hành kiểm thử hệ thống có khả sinh tín hiệu đa hướng, thực xác định góc tới phương pháp ước lượng giá trị góc tới theo sai phân kép trị đo pha [3, 11, 12] Trước tiên, phải xác định thời điểm kiểm thử, sau tiến hành theo hai bước: - Thu liệu thật thời điểm sử dụng thu Septentrio tiến hành xác định độ lệch pha vệ tinh; - Mơ tín hiệu thời điểm đó, dùng thu Septentrio xác định giá trị độ lệch pha vệ tinh Hệ thống GNSS mô đa hướng thiết lập hình đây: Hình Cấu hình kiểm thử hệ thống mô GNSS 4.1 Xác định tham số độ lệch pha vệ tinh thật Trên hình biểu diễn giá trị ước lượng sai phân giá trị góc tới vệ tinh thực thu hệ thống ăng ten điều kiện bình thường ngồi trời Như hình vẽ, vệ tinh đến từ nhiều hướng khác nên giá trị sai phân góc tới tính vệ tinh khác Do đó, nằm khoảng (-0.5 ÷ 0.5) Hình Độ lệch pha tín hiệu thật 182 N V Hiên, …, H V Hiệp, “Phương pháp sinh liệu … điều khiển phần mềm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 4.2 Độ lệch pha tín hiệu mơ Trong hình 5, kết thu mô thông thường, phần dư sai phân kép trị đo pha vệ tinh xấp xỉ Do vậy, phương pháp thơng thường sử dụng trung bình bình phương [11, 12] phát tín hiệu giả mạo Hình Độ lệch pha tín hiệu mô thường Trong trường hợp sử dụng mô phát tín hiệu 10 vệ tinh hướng khác thu Hình kết sau thực tính tốn sai phân kép trị đo pha thu Các trị đo sai phân kép vệ tinh mô trường hợp cho kết tương tự với kết thu từ vệ tinh thực Hình Độ lệch pha tín hiệu mơ đa hướng KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp sinh tín hiệu GNSS đa hướng với chi phí thấp Phương pháp vơ hiệu hóa hầu hết kỹ thuật phát tín hiệu giả mạo GNSS đại thường sử dụng ngày Dữ liệu mô sinh cho ăng ten thu lại thu Septentrio Kết mô thử nghiệm với phương pháp ước lượng AOA dựa sai phân kép trị đo pha rằng, vệ tinh có độ lệch pha trường hợp bị công tương tự trường Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 183 Kỹ thuật điện tử hợp vệ tinh thực Với phương pháp này, mơ có khả vượt qua phương pháp phát tín hiệu giả mạo tiên tiến hiệu dựa ước lượng góc tới tín hiệu vệ tinh Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup(VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VINBIGDATA) Đồng thời, gửi lời cảm ơn đến Chính phủ Việt Nam khn khổ dự án song phương GILD Italia-Vietnam 2017-2019, NDT.38.ITA / 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Humphreys, Todd E., et al "Assessing the spoofing threat: Development of a portable GPS civilian spoofer." Radionavigation laboratory conference proceedings 2008 [2] Wang, Yue, et al "Design and implementation of programmable multi-mode GNSS signal simulator." 2010 IEEE 12th International Conference on Communication Technology IEEE, 2010 [3] Falco, Gianluca, Mario Nicola, and Emanuela Falletti "A Dual Antenna GNSS Spoofing Detector Based on the Dispersion of Double Difference Measurements." 2018 9th ESA Workshop on Satellite NavigationTechnologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (NAVITEC) IEEE, 2018 [4] C Tanil, P Martinez Jimenez, M Raveloharison, B Kujur, S Khanafseh, and B Pervan, “Experimental Validation of INS Monitor against GNSS Spoofing,” in ION GNSS+ 2018, 2018 [5] Liu, Yang, et al "Impact assessment of GNSS spoofing attacks on ins/GNSS integrated navigation system." Sensors 18.5 (2018): 1433 [6] Wang, Fei, Hong Li, and Mingquan Lu "GNSS spoofing countermeasure with a single rotating antenna." IEEE Access (2017): 8039-8047 [7] Huang, Jie, et al "GNSS spoofing detection: Theoretical analysis and performance of the Ratio Test metric in open sky." Ict Express 2.1 (2016): 37-40 [8] Gross, Jason, and Todd E Humphreys "GNSS spoofing, jamming, and multipath interference classification using a maximum-likelihood multi-tap multipath estimator." Proceedings of the 2017 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, Monterey, CA, USA 2017 [9] Broumandan, Ali, Ali Jafarnia-Jahromi, and Gérard Lachapelle "Spoofing detection, classification and cancelation (SDCC) receiver architecture for a moving GNSS receiver." Gps Solutions 19.3 (2015): 475-487 [10] Pirsiavash, Ali, et al "Investigation of the Number of Spoofed GNSS Signals for Short-Range Scenarios." the 16th World Congress of the International Association of Institutes of Navigation (IAIN 2018) Vol 28 2018 [11] Borio, Daniele, and Ciro Gioia "A dual-antenna spoofing detection system using GNSS commercial receivers." Proceedings of the 28th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation 2015 [12] Borio, Daniele, and Ciro Gioia "A sum-of-squares approach to GNSS spoofing detection." IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 52.4 (2016): 1756-1768 [13] Geng, Z., Huang, Y., Chen, H., & Wang, F (2018) “GNSS Spoofing Mitigation Method After Despreading.” China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2018 Proceedings, 423–434.doi:10.1007/978-981-13-0029-5_37 184 N V Hiên, …, H V Hiệp, “Phương pháp sinh liệu … điều khiển phần mềm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [14] Li, Bowen, et al "An improved model and simulator design of GNSS ocean reflected signals." 2017 Forum on Cooperative Positioning and Service (CPGPS) IEEE, 2017 [15] Thuan, Nguyen Dinh, Ta Hai Tung, and Lo Presti Letizia "A software based multi-IF output simulator." Proceedings of the International Symposium of GNSS (IS-GNSS), Kyoto, Japan 2015 [16] Falletti, Emanuela, Marco Pini, and L Lo Presti "Are carrier-to-noise algorithms equivalent in all situations." Inside GNSS 2010 (2010): 20-27 [17] Wesson, K., Rothlisberger, M., and Humphreys, T “Practical cryptographic civil gps signal authentication.” NAVIGATION, Journal of the Institute of Navigation, 59, (2012), 177–193 [18] Humphreys, T E “Detection strategy for cryptographic GNSS antispoofing.” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 49, (Apr 2013), 1073–1090 [19] Scott, L “Anti-spoofing and authenticated signal architectures for civil navigation systems.” In Proceedings of the 16th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS/GNSS), Portland, OR, Sep 2003, 1543–1552 [20] Montgomery, P Y., Humphreys, T E., and Ledvina, B M “Receiverautonomous spoofing detection: Experimental results of a multi-antenna receiver defense against a portable civil GPS spoofer.” In Proceedings of the International Technical Meeting of The Institute of Navigation, Anaheim, CA, Jan 2009, 124–130 ABSTRACT A MULTI-DIRECTIONAL GNSS SIMULATION TECHNIQUE BASED ON SOFTWARE DEFINED RADIO TECHNOLOGY GNSS (Global Navigation Satellite Systems) signal simulators are now commonly used in the field of GNSS receiver testing or security However, the disadvantage of current simulation systems is that the signals from simulated satellites all come from one direction, which makes these systems very easy to be detected by conventional techniques Therefore, a GNSS simulation technique to generate signals from different directions is proposed in this paper This will directly change the results of the incident angle estimation techniques based on measurement The proposed technique is flexible to create many sophisticated scenarios with cost-efficient Test results have shown that the simulated signal with the proposed technique is similar to the real received signal, thus, giving the simulator the ability to bypass the current advanced spoofing methods which are equipping in highend receivers Keywords: Satellite positioning; Software Defined Radio; Signal simulation Nhận ngày 21 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 31 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Đại học Bách khoa Hà Nội; Viện Điện tử/Viện KH-CN quân *Email: caotoanryazan@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 185 ... mơ đa hướng KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp sinh tín hiệu GNSS đa hướng với chi phí thấp Phương pháp vơ hiệu hóa hầu hết kỹ thuật phát tín hiệu giả mạo GNSS đại thường sử dụng ngày Dữ liệu. .. THUẬT MƠ PHỎNG TÍN HIỆU GNSS ĐA HƯỚNG Kiến trúc mơ tín hiệu GNSS dựa cơng nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm (SDR) biểu diễn hình Hình Kiến trúc mô GNSS dựa công nghệ SDR Trong sơ đồ này, phân... 184 N V Hiên, …, H V Hiệp, ? ?Phương pháp sinh liệu … điều khiển phần mềm. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ [14] Li, Bowen, et al "An improved model and simulator design of GNSS ocean reflected signals."