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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp sinh dữ liệu mô phỏng GNSS đa hướng sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm 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 Toàn2*, Nguyễn Đình Thuận1, Hoàng Văn Hiệp1 Tóm tắt: Hiện nay, các bộ mô phỏng tín hiệu GNSS (Global Navigation Satellite Systems) đang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống giả lập tín hiệu cho các lĩnh vực kiểm thử các máy thu GNSS hoặc đảm bảo an ninh. Tuy nhiên, nhược điểm của các hệ thống mô phỏng hiện tại là tín hiệu mô phỏng các vệ tinh đều đến từ một hướng, điều này làm cho các hệ thống này rất dễ bị phát hiện bằng các kỹ thuật thông thường. Do đó, bài báo 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 sinh tín hiệu giả lập này có tính linh hoạt cao, tạo ra nhiều tình huống tấn công giả mạo khác nhau với chi phí thấp. Các kết quả thử nghiệm của bộ mô phỏng đã cho thấy, tín hiệu mô phỏng hoàn toàn tương tự với tín hiệu thu được thực tế, do đó, giúp cho bộ mô phỏng có khả năng vượt qua các phương pháp phát hiện tín hiệu giả mạo tiên tiến hiện nay. Từ khóa: Định vị vệ tinh; Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm; Giả lập tín hiệu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mô phỏng tín hiệu GNSS là một kỹ thuật phát ra tín hiệu tương tự như tín hiệu vệ tinh định vị với các tham số của tín hiệu có thể điều chỉnh được. Việc điều chỉnh các tham số tín hiệu nhằm mục đích điều chỉnh đầu ra của bộ thu định vị (vị trí, thời gian). Đối với các dịch vụ sử dụng GNSS, giả mạo tín hiệu là một trong những loại can nhiễu nguy hiểm nhất [1, 7]. Do đó, các bộ thu luôn tìm cách phát hiện và chống lại kỹ thuật này. Ngày nay, các kỹ thuật sinh tín hiệu giả mạo và phát hiện tín hiệu giả mạo ngày càng trở nên tinh vi và phức tạp [14]. Cùng với đó là các kỹ thuật phát hiện tín hiệu giả mạo và tín hiệu can nhiễu trở nên chính xác và tin cậy hơn. Các công trình nghiên cứu gần đã công bố kỹ thuật phát hiện và phân loại các loại can nhiễu (giả mạo tín hiệu, phá sóng, nhiễu đa đường) như trong [8, 9] và một số kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng của phá sóng, tấn công giả mạo như trong [13]. Theo như [17-21], các kỹ thuật phát hiện tín hiệu giả mạo có thể được phân loại như sau: 1) Dựa vào đặc trưng tín hiệu (biên độ, công suất, tỉ số tín hiệu trên nhiễu,…); 2) Dựa vào tính nhất quán của bộ thu dữ liệu và hệ thống đo lường quán tính; 3) Dựa vào góc tới vật lý; 4) Dựa vào mã xác thực (chỉ có thể áp dụng với các tín hiệu đặc biệt). Trong những năm gần đây có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để mô phỏng tín hiệu GNSS theo các kịch bản khác nhau như: mô phỏng dạng đơn giản, mô phỏng có độ phức tạp trung bình, mô phỏng dạng phức tạp [1]. Mô phỏng dạng đơn giản: trình giả lập này được cấu tạo bởi một bộ sinh tín hiệu GPS và bộ khuếch đại tín hiệu và phát tín hiệu RF. Hệ thống mô phỏng này phát quảng bá các tín hiệu GPS với công suất lớn hơn tín hiệu GPS từ vệ tinh thật để che hoàn toàn tín hiệu thật truyền đến bộ thu. Hệ thống này hoạt động khá đơn giản nên cũng dễ dàng bị phát hiện với các giải thuật thông thường dựa trên các đặc trưng của tín hiệu. 178 N. V. Hiên, …, H. V. Hiệp, “Phương pháp sinh dữ liệu … điều khiển bằng phần mềm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mô phỏng có độ phức tạp trung bình: Hệ thống mô phỏng này là sự phối ghép giữa một thiết bị thu tín hiệu định vị từ vệ tinh thật và một bộ mô phỏng tín hiệu với các thông số của bộ mô phỏng được lấy trực tiếp từ bộ thu. Các dữ liệu sinh này gần giống tín hiệu vệ tinh thật về thời gian, công suất, các giá trị thiên văn,… Tuy nhiên, do được phát bởi duy nhất một ăng ten nên giá trị góc tới vật lí của các vệ tinh giả lập là giống nhau. Nhược điểm của phương pháp này là dễ dàng bị phát hiện bởi kỹ thuật ước lượng góc tới dựa trên trị đo pha. Mô phỏng dạng phức tạp: trình giả lập này là một mạng các trình giả lập độ phức tạp trung bình, các trình giả lập này được đồng bộ thời gian với nhau. Dạng mô phỏng này gần như vô hiệu hóa được các kỹ thuật phát hiện giả mạo hiện đang được trang bị trên các bộ thu. Tuy nhiên, việc tái tạo tín hiệu phức tạp nên chưa thấy có các nghiên cứu về hình thức giả lập dạng này. Bài báo này đề xuất xây dựng hệ thống mô phỏng dạng phức tạp và trình bày các kết quả thử nghiệm với hệ thống mô phỏng này. Về cơ bản, hệ thống mô phỏng được đề xuất có khả năng thay đổi giá trị độ lệch pha (phase offset) của các vệ tinh theo độ lệch pha của các vệ tinh thật và có thể được phát bởi nhiều frontend được đồng bộ với nhau. Hệ thống mô phỏng này dễ dàng vượt qua kỹ thuật phát hiện tín hiệu giả mạo thông qua trị đo góc tới, phương pháp phát hiện này là một trong những kỹ thuật phát hiện tiên tiến, hiệu quả nhất hiện nay [12]. Hơn nữa, do sử dụng phần mềm để tạo tín hiệu nên hệ thống này có tính linh hoạt cao, các tính năng mới có thể dễ dàng được thêm vào khi cần thiết. 2. KỸ THUẬT MÔ PHỎNG TÍN HIỆU GNSS ĐA HƯỚNG Kiến trúc của bộ mô phỏng tín hiệu GNSS dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR) được biểu diễn như trong hình 1. Hình 1. Kiến trúc bộ mô phỏng GNSS dựa trên công nghệ SDR. Trong sơ đồ này, phân hệ lõi xử lý tín hiệu số đóng vai trò thực hiện điều chế tín hiệu số GNSS, sau đó, tín hiệu số này sẽ được đưa đến frontend và chuyển đổi số sang tương tự và tương tự sang RF. Lưu ý rằng, các hệ thống đơn giản sẽ sử dụng duy nhất một frontend trong khi các hệ thống mô phỏng phức tạp nhất sẽ sử dụng nhiều frontend (mỗi frontend cho mỗi vệ tinh). Hệ thống sẽ phát tín hiệu phá sóng tất cả các hệ thống GNSS trong giải phát (GPS, GLONASS, ...