کاهش خطای فریب GPS با استفاده از تخمین‎گر تطبیقی در حلقه ردیابی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

یکی از عوامل ایجاد خطا در ردیابی گیرنده‌های GPS حملاتی نظیر فریب است. هدف از این حملات محاسبه نادرست مکان و زمان می باشد. فریبنده از طریق ایجاد تداخل در سیگنال اصلی باعث ایجاد فریب می‎شود که این تداخل شکل‎های مختلفی دارد. تداخل بررسی‎شده در این مقاله فریب از نوع تأخیری است. در واقع هدف، ارائه روشی جدید در قسمت ردیابی سیگنال GPS است که به‎واسطه آن بتوان تأثیر فریب ایجاد شده را کاهش داد. الگوریتم پیشنهادی دو بخش اصلی دارد. بخش نخست شامل تخمین میزان تأخیر فریب است. پس از آن با یک روش ابتکاری تأثیر سیگنال فریب در بخش همبسته ساز حلقه ردیابی استخراج و از کل سیگنال ورودی کاسته می‌گردد. بدین ترتیب که ابتدا میزان تأثیر فریب، تخمین زده شود و سیگنال فریب تخمینی به‎دست آید. برای این منظور دو تخمین‌گر برپایه چندهمبسته‌ساز و تطبیقی ارائه شده است. همبستگی این سیگنال و سیگنال دیجیتالی IF محاسبه شده و وارد بخش کاهش فریب می‌گردند. در بخش کاهش فریب همبستگی سیگنال بدست آمده با خودهمبستگی سیگنال دریافتی جمع شده و همبستگی سیگنال GPS معتبر استخراج می گردد. پس از اعمال الگوریتم پیشنهادی، خطای ردیابی سیگنال به‎طور میانگین حدود 88 درصد کاهش می‎یابد.

کلیدواژه‌ها


[1]     A. Broumandan, A. Jafarnia-Jahromi, and G. Lachapelle, “Spoofing Detection, Classification and Cancelation (SDCC) Receiver Architecture for a Moving GNSS Receiver,” GPS Solution, vol. 19, pp. 475-487, 2015.‎

[2]     A. R. Baziar, M. Moazedi, and M. R. Mosavi, “Analysis of Single Frequency GPS Receiver under Delay and Combining Spoofing Algorithm,” Wireless Personal Communications, vol. 83, no. 3, pp. 1955-1970, 2015.

[3]     M. R. Mosavi, and Z. Shokhmzan, “Spoofing Mitigation of GPS Receivers using Normalized Least Mean Squares,” Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering, vol.11, no.3, pp. 1-11, 2015.

[4]     C. Bonebrake and L. R. O''''''''Neil, “Attacks on GPS Time Reliability,” IEEE Transactions on Security & Privacy, vol. 12, no. 3, pp. 82-85, June 2014.

[5]     N. Shafiee, M. R. Mosavi, and M. Moazedi, “Detection of Delay Spoofing Attack base on Multi-Layer Neural Network in Single-Frequency GPS Receiver,” Journal of Electronics and Cyber Defense, vol.3, no.1, pp. 69-80,  2015. (in Persian)

[6]     Z. Shokhmzan and M. R. Mosavi, “Defense Against Spoofing in GPS Receiver using Correlation and Least Mean Squares Method Based on Sign-Data Algorithm,” Journal of Electronics and Cyber Defense, vol. 3, no. 4, pp. 11-22, 2016. (in Persian)

[7]     M. R. Mosavi, M. J. Rezaei, N. Hosseinzadeh,                                    and R. A. Kiaamiri, “New Intelligent Methods for Detection and Mitigation of Spoofing Signal in GPS Receivers,” Journal of Electronics and Cyber Defense, vol. 2, no.1, pp. 71-81, 2014. (in Persian)

[8]     M. R. Mosavi and F. Shafiee, “Narrowband Interference Suppression for GPS Navigation using Neural Networks,” Journal of GPS Solutions, vol. 20, no. 3, pp. 341-351, 2016.

 

 

 

 

 

[9]     K. C. Kwon, C. K. Yang and D. S. Shim, “Spoofing Signal Detection using Accelerometers in IMU and GPS Information,” The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 63, no. 9, pp. 1273-1280, Sep. 2014.

[10]  A. Farhadi, M. Moazedi, M. R. Mosavi, and A. Sadr, “A Novel Ratio-Phase Metric of Signal Quality Monitoring for Real-Time Detection of GPS Interference,” Journal of Wireless Personal Communications, 2017.

[11]  A. Javaid, F. Jahan, and W. Sun, “Analysis of Global Positioning System-based Attacks and a Novel Global Positioning System Spoofing Detection/Mitigation Algorithm for Unmanned Aerial Vehicle Simulation,” Simulation: Transactions of the Society for Modeling and Simulation International, vol. 93, no. 5, pp. 427-441, 2017.

[12]  J. Nielsen, A. Broumandan, and G. Lachapelle, “Spoofing Detection and Mitigation with a Moving Handheld Receiver,” GPS World Magazine, vol. 21, no. 9, pp. 27-33, Sep. 2010.

[13]  S. Daneshmand, “GNSS Interference Mitigation using Antenna Array Processing,” Ph.D. Thesis, Department of Geometrics Engineering, University of Calgary, Alberta, April 2013.

[14]  J. Nielsen, A. Broumandan, and G. Lachapelle, “GNSS Spoofing Detection for Single Antenna Handheld Receivers,” Journal of the Institute of Navigation, vol. 58, no. 4, pp.       335-344, Sep.2011.

[15]  J. Magiera and R. Katulski, “Detection and Mitigation of GPS Spoofing Based on Antenna Array Processing,” Journal of Applied Research and Technology, vol. 13, pp. 45-57, 2015.

[16]  D. P. Shepard and T. E. Humphreys, “Characterization of Receiver Response to Spoofing Attacks,” GPS World, vol. 21, no. 9, pp. 27-33, 2010.

[17]  Y. Yang and J. Xu, “GNSS Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) Algorithm based on Robust Estimation,” Geodesy and Geodynamics, vol. 7, no. 2, pp. 117-123, March 2016.

[18]  D. J. Jwo and Z. M. Wen, “Neural Network Assisted Vector Tracking Loop for Bridging GPS Signal Outages,”  Applied Mechanics and Materials, vols. 764-765, pp. 560-564, 2015.

[19]  L. Baoa, R. Wub, W. Wangb, and D. Lub, “Spoofing Mitigation in Global Positioning System Based on C/A Code Self-coherence with Array Signal Processing,” Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 62, no. 1, pp. 66-73, 2017.

[20]  A. Cavaleri, B. Motella, M. Pini, and M. Fantino, “Detection of Spoofed GPS Signals at Code and Carrier Tracking Level,” The 5th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing, pp. 1-6, Dec. 2010.

[21]  J. Huanga, L. L. Prestia, B. Motella, and M. Pini, “GNSS Spoofing Detection: Theoretical Analysis and Performance of the Ratio Test Metric in Open Sky,” vol. 2, pp. 37-40, 2016.

[22]  C. L. Chang and J. C. Juang, “An Adaptive Multipath Mitigation Filter for GNSS Application,” CACS Automatic Control Conference, pp. 1-6, Nov. 2005.

[23]  X. Fan, Li. Du, and D. Duan, “Synchrophasor Data Correction under GPS Spoofing Attack: A State Estimation based Approach,” IEEE Transactions on Smart Grid, pp. 1-11, 2017.

[24]  E. Shafiee, M. R. Mosavi, and M. Moazedi, “Detection of Spoofing Attack using Machine Learning based on            Multi-Layer Neural Network in Single-Frequency GPS Receivers,” Journal of Navigation, pp. 1-20, 2017.