特表 2023-540000 全地球航法衛星システムの信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法、データ処理装置、コンピュータプログラム製品、及びコンピュータ可読記憶媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-21

(54)【発明の名称】全地球航法衛星システムの信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法、データ処理装置、コンピュータプログラム製品、及びコンピュータ可読記憶媒体

(51)【国際特許分類】

   G01S 19/21 20100101AFI20230913BHJP

【ＦＩ】

G01S19/21

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023505682

(86)(22)【出願日】2021-07-12

(85)【翻訳文提出日】2023-03-22

(86)【国際出願番号】 EP2021069344

(87)【国際公開番号】W WO2022023010

(87)【国際公開日】2022-02-03

(31)【優先権主張番号】20188808.8

(32)【優先日】2020-07-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】510304715

【氏名又は名称】ザ ヨーロピアン ユニオン、リプレゼンテッド バイ ザ ヨーロピアン コミッション

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｕｎｉｏｎ，ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ゴメス カスコ，デビッド

(72)【発明者】

【氏名】セコ グラナドス，ゴンサロ

(72)【発明者】

【氏名】ロペス サルセド，ホセ，アントニオ

(72)【発明者】

【氏名】フェルナンデス エルナンデス，イグナシオ

【テーマコード（参考）】

5J062

【Ｆターム（参考）】

5J062AA09

5J062BB05

5J062CC07

(57)【要約】

全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法。本方法は、ＧＮＳＳ受信機において、ＧＮＳＳ信号の予測可能な部分及び予測不可能な部分のサンプルシーケンスを格納するステップ（１２０）であって、予測可能な部分は予測可能なビットを含み、予測不可能な部分は予測不可能なビットを含む、ステップと、予測不可能なサンプルシーケンスが抽出される予測不可能なビットの値を検証するステップ（１２５）と、予測不可能な、それぞれ予測可能な、サンプルシーケンスとローカルに記憶されたＧＮＳＳ信号レプリカとの間の第１及び第２の偏相関を計算するステップ（１３０）と、複素数値偏相関から所定のメトリックを計算するステップ（１４０）と、所定のメトリックを所定の閾値と比較するステップ（１５０）と、を含む。ゼロ遅延攻撃では、スプーファは、ＧＮＳＳ認証プロトコルによって導入された予測不可能なビットを推定しなければならず、それによって信号に歪みを導入する。本方法は、その歪みを検出して、分析中の信号がスプーフィングされているか、又は本物であるかを示す。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

全地球航法衛星システム、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法（１００）であって、当該方法が、
ａ）受信機において、少なくとも１つのＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号をデジタル化し、取得し、追跡するステップ（１１０）であって、該ＧＮＳＳ信号が予測可能な部分と予測不可能な部分とを含み、該予測可能な部分が予測可能なビットを含み、該予測不可能な部分が予測不可能なビットを含むことを特徴とするステップと、
ｂ）前記受信機によって、前記ＧＮＳＳ信号の前記予測可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）及び前記予測不可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップ（１２０）と、
ｃ）前記受信機によって、前記予測不可能なサンプルシーケンスが抽出される前記予測不可能なビットの値を検証するステップ（１２５）と、
ｄ）前記受信機によって、前記予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）、及び前記予測可能なサンプルシーケンスと該ローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第２の偏相関Ｂ´_ｐｒｅｄ（ｋ）を

【数1】

及び

【数2】

によって計算するステップ（１３０）と、
ｂ（ｋ）が前記ビットの値である、Ｂ_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）＝ｂ（ｋ）Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）によって該第１の偏相関及び該第２の偏相関の符号を除去するステップ（１３４）と、
ｅ）前記受信機によって、前記第１の偏相関及び前記第２の偏相関から所定のメトリックＲを計算するステップ（１４０）であって、該所定のメトリックＲが、

【数3】

のいずれかひとつであり、
Ｎ_ｂは、ステップｂ）でサンプルシーケンスが格納された予測不可能なビット数であり、

であって、ここで有するＴ_ｃｏｈは、前記偏相関を計算するためのコヒーレント積分時間であり、

は、

及び

であり、Ｂ_ｘ（ｋ）は、前記ビットの任意の部分の前記偏相関である、ステップと、
ｆ）前記所定のメトリックを所定の閾値と比較し、ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５０）と、
を含む、方法。

【請求項2】

ステップｂ）が、
－予測不可能なサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）として、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｂｅｇ（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）として、前記予測不可能なビットの末尾部分などの後の部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｅｎｄ（ｎ）を記憶するステップ、又は、
－予測不可能なサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）として、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｂｅｇ（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）として、予測可能なビットのサンプルシーケンスｙ＊_ｅｎｄ（ｎ）を格納するステップ、
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

Ｗ_ｕ，ｄが、前記格納された予測不可能なサンプルシーケンスのうちの１つの持続時間であり、Ｗ_ｐ，ｄが、前記格納された予測可能なサンプルシーケンスのうちの１つの持続時間である、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

Ｗ_ｕ，ｄ及び／又はＷ_ｐ，ｄが、０．０５ｍｓより大きく、好ましくは０．１ｍｓより大きく、より好ましくは０．１２ｍｓより大きく、かつ、１ｍｓより小さく、好ましくは０．７５ｍｓより小さく、より好ましくは０．６ｍｓより小さい、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

ステップｂ）が、前記予測不可能なサンプル及び／又は前記予測可能なサンプルについて、少なくとも５０ビット、好ましくは少なくとも１００ビット、より好ましくは少なくとも１５０ビット、最も好ましくは少なくとも２００ビットの少なくとも一部を表すサンプルシーケンスを格納するステップを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記所定の閾値が、前記ＧＮＳＳ信号が本物であるという仮説の下での前記メトリックＲの累積密度関数に基づく、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記所定の閾値が、０．０２の誤警報確率を生じさせる値に設定される、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

ステップｆ）が、信号スプーフィングが、好ましくは、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を下回るときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップ（１５２）と、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５４）と、
によって検出されないときに、前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

ステップａ）が、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からＧＮＳＳ信号を受信するステップを含み、該ＧＮＳＳ信号が拡散コード及び衛星データを含み、該衛星データが前記予測不可能な部分を含み、前記方法が、
ｇ）前記受信機によって、前記拡散コードからＧＮＳＳ信号の到来時間を計算するステップ（１６０）と、
ｈ）前記受信機によって、前記衛星データを復調することによって衛星の位置、速度、及び時間を計算するステップ（１７０）と、
を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

ステップｆ）が、信号スプーフィングが、好ましくは、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を下回るときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップ（１５２）と、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５４）と、
によって検出されないときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップを含み、
ステップｇ）及びステップｈ）が、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からの少なくとも４つのＧＮＳＳ信号が認証された場合にのみ実行される、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

ステップｂ）が、ランダムに選択された予測不可能なビットに基づいて、前記ＧＮＳＳ信号の前記予測不可能な部分の前記サンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップを含み、又は、
ステップｄ）が、前記予測不可能なサンプルシーケンスのランダムに選択されたサブセットに基づいて、前記予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の前記第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）を計算するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段を備える、データ処理装置、特に全地球航法衛星システム、ＧＮＳＳ、衛星航法装置又は移動通信装置などの信号受信機。

【請求項13】

前記プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含む、コンピュータプログラム製品。

【請求項14】

コンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含む、コンピュータ可読記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の信号スプーフィング（ｓｉｇｎａｌ ｓｐｏｏｆｉｎｇ）を検出するためのコンピュータで実行される方法（ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ）に関する。本発明はさらに、それを行うためのデータ処理装置、並びにそのための命令を含むコンピュータプログラム製品及びコンピュータ可読記憶媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）のスプーフィング攻撃は、ターゲットのＧＮＳＳ受信機の位置、速度、及び時間（ＰＶＴ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ Ｔｉｍｅ）を操作する目的の意図的な干渉である。Ｇａｌｉｌｅｏは最近、オープンサービス航法メッセージ認証（ＯＳＮＭＡ：Ｏｐｅｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）機能を採用した（非特許文献１）。この機能では、Ｇａｌｉｌｅｏ衛星から送信されるＥ１Ｂ信号成分は、ＧＮＳＳ受信機がスプーフィング攻撃を検出できるようにするために、予測不可能なビットを含む。

【0003】

スプーフィング攻撃の種類は、非特許文献２に開示されている。より具体的には、２つのステップを含むセキュリティコード推定及び再生（ＳＣＥＲ：Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃｏｄｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｐｌａｙ）攻撃が開示される。第１に、スプーファは、ＧＮＳＳ衛星からの受信信号を追跡し、視野内の各衛星の予測不可能なビットの値を推定する。第２に、スプーファは、トラッキングループ、ひいてはユーザ位置を制御するために、ターゲットのＧＮＳＳ受信機に送信されるＧＮＳＳ信号のセットを生成する。

【0004】

ＳＣＥＲ攻撃を生成することは、スプーフィングされた信号を本物の信号と同期させなければならないため、スプーファにとって簡単な作業ではない。スプーファが攻撃を開始したときに２つの信号が時間領域で互いに整列していない場合、ターゲットの受信機クロックを使用して受信機で検出されることが可能である。これは、受信機クロックの安定性がよく知られており、ＰＶＴ段階での短期間のクロックオフセットの高い変動が、スプーファによって引き起こされ得る既知の副次的な影響であるために発生する。したがって、ＳＣＥＲ攻撃を実行し、受信機クロックによって検出されないようにするために、スプーファはゼロ遅延攻撃を実行する可能性があり、これは、ターゲットの受信機によって受信された本物の信号と実質的に同期した信号を送信することに基づく。これにより、スプーファは、ターゲットの受信機を制御することができる。

【0005】

非特許文献３は、再生攻撃から保護するための航法メッセージ認証（ＮＭＡ：Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）の使用を提案している。この方法では、受信機は、すべての予測不可能なビットの最初のサンプルを格納するため、追跡された信号がスプーファによって再生された場合には相関利得がより低くなるシーケンスを作成する。言い換えれば、この方法は、予測不可能なビットを追跡するときの利得劣化を測定する。本開示では、ゼロ遅延攻撃を検出するためのテスト統計量として、予測不可能なシーケンスに基づく利得と予測可能なシーケンスに基づく利得とを比較する簡単な提案があるが、そのようなテスト統計量の検出確率に関しては開示されていない。

【0006】

特許文献１は、ＧＮＳＳビットフリップ又は予期しない信号相関プロファイルなどの異常値が識別されたときにインジケータをトリガすることによって、ＧＮＳＳスプーフィングに対抗する方法を開示している。

【0007】

ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するための他の方法もまた、特許文献２及び特許文献３に開示されているように当技術分野で知られており、これらの方法は、ＧＮＳＳ信号を代替のソースから得られた情報と比較することに依存している。

【0008】

特許文献２は、ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するための方法を開示している。この方法は、情報を無線デバイスへ提供し、その情報により無線デバイスが基準ネットワークからの航法データメッセージを判定することを可能にするステップを含む。この方法は、ＧＮＳＳネットワークから航法データを受信するステップと、ＧＮＳＳネットワークからの航法データを基準ネットワークから導出された航法データと比較して、ＧＮＳＳ信号のうちの１つ以上がスプーフィングされているかどうかを判定するステップとをさらに含む。
特許文献３は、第１のＧＮＳＳ信号を第２の非ＧＮＳＳ信号と比較し、閾値を使用して信号スプーフィングを検出することによってＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出する方法を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／１０２２５９号明細書

【特許文献2】米国特許第７，９５６，８０３号明細書

【特許文献3】欧州特許出願公開第３ ４９５ ８４８号明細書

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ－Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，Ｉ．，Ｒｉｊｍｅｎ，Ｖ．，Ｓｅｃｏ－Ｇｒａｎａｄｏｓ，Ｇ．，Ｓｉｍｏｎ，Ｊ．，Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ｉ．，＆Ｃａｌｌｅ，Ｊ．Ｄ．による（２０１６）´´Ａ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｇａｌｉｌｅｏ Ｏｐｅｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ´´Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ（ｓｐｒｉｎｇ）、８５～１０２頁

【非特許文献2】Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ，Ｔｏｄｄ Ｅ．による´´Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃ ＧＮＳＳ ａｎｔｉ－ｓｐｏｏｆｉｎｇ´´ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ４９，ｎｏ．２（２０１３）、１０７３～１０９０

【非特許文献3】Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ－Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，Ｉｇｎａｃｉｏ，及びＧｏｎｚａｌｏ Ｓｅｃｏ－Ｇｒａｎａｄｏｓによる´´Ｇａｌｉｌｅｏ ＮＭＡ ｓｉｇｎａｌ ｕｎｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｒｅｐｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ´´２０１６ローカライゼーションとＧＮＳＳに関する国際会議（ＩＣＬ－ＧＮＳＳ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ＧＮＳＳ）、ＩＥＥＥ、２０１６年６月２８日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、ＧＮＳＳ信号スプーフィング、特にゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃を検出する改善された方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この目的は、本発明によれば、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法とともに達成され、その方法は、ａ）受信機において、少なくとも１つのＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号をデジタル化し、取得し、追跡するステップであって、ＧＮＳＳ信号が予測可能な部分と予測不可能な部分とを含み、予測可能な部分が予測可能なビットを含み、予測不可能な部分が予測不可能なビットを含む、ステップと、ｂ）受信機によって、ＧＮＳＳ信号の予測可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）及び予測不可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップと、ｃ）受信機によって、予測不可能なサンプルシーケンスが抽出される予測不可能なビットの値を検証するステップと、ｄ）受信機によって、予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）、及び予測可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第２の偏相関Ｂ´_ｐｒｅｄ（ｋ）を

【数1】

及び

【数2】

によって計算するステップ、
及びｂ（ｋ）がビットの値である、Ｂ_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）＝ｂ（ｋ）Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）によって第１の偏相関及び第２の偏相関の符号を除去するステップと、ｅ）受信機によって、第１の偏相関及び第２の偏相関から所定のメトリックＲを計算するステップであって、所定のメトリックＲが、

【数3】

のいずれかひとつであり、
Ｎ_ｂは、ステップｂ）でサンプルシーケンスが格納された予測不可能なビット数であり、

であって、ここで有するＴ_ｃｏｈは、偏相関を計算するためのコヒーレント積分時間であり、

は、

及び

であり、Ｂ_ｘ（ｋ）は、ビットの任意の部分の偏相関である、ステップと、ｆ）所定のメトリックを所定の閾値と比較し、ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップと、を含む。

【0013】

本発明の一実施形態では、ステップｂ）は、予測不可能なサンプルシーケンスとして、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスとして、予測不可能なビットの末尾部分などの後の部分（すなわち、初期部分を除く任意の他の部分）のサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）を格納するステップ、又は、予測不可能なサンプルシーケンスとして、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスとして、予測可能なビットのサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）を格納するステップ、を含む。

【0014】

本発明の一実施形態では、Ｗ_ｕ，ｄは、格納された予測不可能なサンプルシーケンスのうちの単一のサンプルシーケンスの持続時間（すなわち、予測不可能なビットの先頭で採取されたサンプルの持続時間）であり、Ｗ_ｐ，ｄは、格納された予測不可能なサンプルシーケンスのうちの単一のサンプルシーケンスの持続時間（すなわち、予測不可能なビットの末尾で採取されたサンプルの持続時間、又は予測不可能なビット若しくは予測可能なビットの任意の他の部分からのサンプルの持続時間）である。Ｗ_ｕ，ｄ及び／又はＷ_ｐ，ｄは、０．０５ｍｓより大きく、好ましくは０．１ｍｓより大きく、より好ましくは０．１２ｍｓより大きく、かつ、１ｍｓより小さく、好ましくは０．７５ｍｓより小さく、より好ましくは０．６ｍｓより小さいことが好ましい。格納されたサンプルの最も好ましい持続時間は、０．１２５ｍｓから０．５ｍｓの間である。

【0015】

本発明の一実施形態では、ステップｂ）は、予測不可能なサンプル及び／又は予測可能なサンプルについて、少なくとも５０ビット、好ましくは少なくとも１００ビット、より好ましくは少なくとも１５０ビット、最も好ましくは少なくとも２００ビットの少なくとも一部を表すサンプルシーケンスを格納するステップを含む。

【0016】

本発明の一実施形態では、所定の閾値は、ＧＮＳＳ信号が本物であるという仮説の下でのメトリックＲの累積密度関数に基づいており、好ましくは、所定の閾値は、０．０２の誤警報確率を生じさせる値に設定される。

【0017】

本発明の一実施形態では、ステップｆ）は、信号スプーフィングが、好ましくは、ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが所定の閾値を下回るときにＧＮＳＳ信号を認証するステップと、ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップと、によって検出されないときにＧＮＳＳ信号を認証するステップを含む。

【0018】

本発明の一実施形態では、ステップａ）は、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からＧＮＳＳ信号を受信するステップを含み、ＧＮＳＳ信号は拡散コード及び衛星データを含み、衛星データは予測不可能な部分を含み、その方法は、ｇ）受信機によって、拡散コードからＧＮＳＳ信号の到着時間を計算するステップと、ｈ）受信機によって、衛星データを復調することによって衛星の位置、速度、及び時間を計算するステップと、をさらに含む。

【0019】

本発明の一実施形態では、ステップｆ）は、信号スプーフィングが、好ましくは、ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが所定の閾値を下回るときにＧＮＳＳ信号を認証するステップと、ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップと、によって検出されないときにＧＮＳＳ信号を認証するステップを含み、ステップｇ）及びステップｈ）は、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からの少なくとも４つのＧＮＳＳ信号が認証されたときにのみ実行される。

【0020】

本発明の一実施形態では、ステップｂ）は、ランダムに選択された予測不可能なビットに基づいて、ＧＮＳＳ信号の予測不可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップを含み、又はステップｄ）は、予測不可能なサンプルシーケンスのランダムに選択されたサブセットに基づいて、予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）を計算するステップを含む。

【0021】

この目的は、本発明によれば、上述の方法を実行するための手段を備えるデータ処理装置、特にＧＮＳＳ信号受信機とともに達成される。

【0022】

この目的は、本発明によれば、プログラムがコンピュータによって実行されると、コンピュータに上述の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品とともに達成される。

【0023】

この目的は、本発明によれば、コンピュータによって実行されると、コンピュータに上述の方法を実行させる命令を含むコンピュータ可読記憶媒体とともに達成される。

【0024】

上記の実施形態のうちの１つ以上を互いに容易に組み合わせることができることは容易に理解されよう。

【0025】

本発明者らは、ゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃において、スプーファがほぼゼロ遅延でＯＳＮＭＡによって導入された予測不可能なビットを推定する必要があることを認識した。このため、スプーファは、信号にわずかな歪みを導入し、この歪みが本ＧＮＳＳ信号スプーフィング検出方法の基礎となる。

【0026】

より具体的には、スプーファが事前に予測不可能なビットの値を知ることができないという事実により、スプーファによって送信される信号は、特に予測不可能なビットの最初のマイクロ秒において、いくつかのエラーを含む。本発明者らは、（特に、予測不可能なビットの先頭部分の）予測不可能なサンプルシーケンスと対応するローカルレプリカとの間の第１の偏相関を、（特に、予測不可能なビットの末尾部分の）予測可能なサンプルシーケンスと対応するローカルレプリカとの間の第２の偏相関とともに計算することによって、このエラーを検出できることを認識した。特に、第１の相関と第２の相関とを比較するために様々なメトリックが定義されており、これらのメトリックは、分析中の信号が再生（すなわち、スプーフィング）されているか、又は本物であるかを（閾値と比較して）示す。

【0027】

（以下でより詳細に説明するように）本発明によるメトリック（すなわち、偏相関に基づく）は、Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ－Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，Ｉｇｎａｃｉｏ，及び Ｇｏｎｚａｌｏ Ｓｅｃｏ－Ｇｒａｎａｄｏｓによる´´Ｇａｌｉｌｅｏ ＮＭＡ ｓｉｇｎａｌ ｕｎｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｒｅｐｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ´´ ２０１６ローカライゼーションとＧＮＳＳに関する国際会議（ＩＣＬ－ＧＮＳＳ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ＧＮＳＳ）、ＩＥＥＥ、２０１６年６月２８日で提案されている利得ベースの試験メトリックよりも良好な結果を達成することが分かった。性能が向上する理由として考えられるのは、偏相関が複素数値である一方で、利得（偏相関から導出されるが）は実数値であるため、受信信号に関する情報が少ないことである。

【0028】

予測不可能なビットの末尾部分を予測可能なサンプルシーケンスとして使用することは、このように時間依存の信号障害変動（例えば、マルチパス又は意図的でない干渉）を最小限に抑えることができるので有益である。

【0029】

さらに、ランダムに選択された予測不可能なビット又はランダムに選択された格納された予測不可能なサンプルシーケンスのみを使用することにより、ＧＮＳＳ信号スプーフィング方法の検出能力の堅牢性が改善され、どの予測不可能なビットが検出方法で使用されるかの知識をスプーファが利用することが回避される。

【図面の簡単な説明】

【0030】

本発明は、以下の説明及び添付の図面によってさらに説明される。

【図1】１つの衛星に対するスプーフィング攻撃の代表例を示す図である。

【図2】本発明によるＧＮＮＳ信号スプーフィング検出方法を表すフローチャートを示す図である。

【図3A】３つの異なる種類のゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃を示す図である。

【図3B】３つの異なる種類のゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃を示す図である。

【図3C】３つの異なる種類のゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃を示す図である。

【図4】誤警報確率が０，０２の場合の検出確率対予測不可能なビット数を示す図である。上のプロットでは、ユーザ及びスプーファは同じ電力で信号を受信する。下のプロットでは、スプーファは３ｄＢの優位性をもつ。

【図5】誤警報確率が０．０２の場合の検出確率対予測不可能なビット数を示す図である。スプーフィングされた信号は、実際の信号よりも３ｄＢ大きい電力で受信される。

【図6】０．０２の誤警報確率及び異なる窓長（上のプロットでは窓長０．１２５ｍｓ、下のプロットでは窓長０．５００ｍｓ）の検出確率対予測不可能なビット数を示す図である。スプーファは、ユーザに対して３ｄＢの優位性をもつ。

【図7】メトリックＲ_３の帰無仮説の下での確率密度関数（上のプロット）と誤警報の確率（下のプロット）との比較、及びモンテ・カルロ・シミュレーションから得られた誤警報の確率Ｐ_ｆａとレイリー式に基づく理論的な誤警報の確率Ｐ_ｆａとの比較を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明の記載
本発明は、特定の実施形態に関して、及び特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。説明される図面は概略的なものに過ぎず、非限定的である。図面では、いくつかの要素のサイズは誇張されており、例示を目的として縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法及び相対寸法は、本発明の実際の実施への縮小に必ずしも対応しない。

【0032】

さらに、明細書及び特許請求の範囲における第１、第２、第３などの用語は、同様の要素を区別するために使用され、必ずしも連続的又は時系列的な順序を説明するためのものではない。これらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、本明細書に記載又は例示されている以外のシーケンスで実行されることができる。

【0033】

さらに、明細書及び特許請求の範囲における上部、下部、上方、下方などの用語は、説明の目的で使用される。そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書に記載又は例示されている以外の方向で実行されることができる。

【0034】

さらに、様々な実施形態は、「好ましい」と言及されているものの、本発明の範囲を限定するものとしてではなく、本発明を実施することができる例示的な方法として解釈されるべきである。

【0035】

図１は、１つの衛星１０に対するスプーフィング攻撃の代表例を示し、以下の表１は、図１に示す各パラメータの定義を提供する。全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）衛星１０は、スプーファ２０及びＧＮＳＳ受信機３０の両方によって受信されるＧＮＳＳ信号をブロードキャストする。そして、スプーファ２０は、ＧＮＳＳ受信機３０を制御するために、自身のＧＮＳＳ信号を生成してブロードキャストする。

【表1】

表１：予測不可能なシンボルを含むＧＮＳＳ信号に対する、スプーフィングゼロ遅延攻撃のためのパラメータ定義

【0036】

一般に、スプーフィング検出は、２つの仮説、すなわち、スプーファが存在する（Ｈ_１）か、又は存在しない（Ｈ_０）かという仮説の下でモデル化することができる、以下のような二項仮説検定問題である。

【数4】

ここで、ｙ（ｎ）は受信信号であり、Ｎ_ｓａｔは衛星の数であり、Ａ_ｐは信号振幅であり、β_ｌはスプーフィング信号の振幅であり、ｂ（ｎ－τ_ｐ）は予測不可能なビットであり、ｃ（ｎ－τ_ｐ）は擬似ランダム雑音コードであり、ｆ_ｄ，ｐはドップラー周波数であり、φ_ｐは位相であり、Ｎ_ｓｐｏｆはスプーフィング攻撃を実行するために使用される衛星の数であり、

はスプーファによって送信される予測不可能なビットであり、ω（ｎ）は加算性白色ガウス雑音である。

【0037】

本発明はゼロ遅延セキュリティコード推定及び再生（ＳＣＥＲ）攻撃に主に焦点を当てているので、本発明者らは、スプーファは、ｆ_ｄ，ｌ＝ｆ_ｄ，ｐ及びτ_ｌ＝τ_ｐを使用するが、Ａ_ｐ及びφ_ｐは、β_ｌ及びφ_ｌとは異なり得ると仮定する。本発明者らは、スプーファは、スプーフィングされた信号振幅β_ｌを制御し、場合によってはそれをＡ_ｐに等しくすることができるが、搬送波位相測定値を整列させるには非常に高いレベルの精度が必要であるため、搬送波位相測定値を実際の値に整列させることはできないと仮定する。２つのさらなるモデル仮定が存在する。第１に、本発明者らは、受信機は攻撃の開始時に本物の信号を追跡している、すなわち、受信機は制御された環境で起動して取得を実行すると仮定する。取得時のスプーフィングは関連するケースであるが、ほとんどの場合、ＧＮＳＳ受信機は追跡段階にある。第２に、本発明者らは、ゼロ遅延ＳＣＥＲ攻撃では、スプーファは信号の再取得を強制しないと仮定する。ループを制御するために再取得を強制するスプーファは、開始から予測不可能なビットを適切に推定するために、信号が１分を超えて失われる必要がある。さらに、これらの条件では、ループを制御することにより、サイクルスリップが発生し、ＧＮＳＳ受信機によって検出される可能性がある。

【0038】

上述したように、本発明者らは、ゼロ遅延攻撃の弱点が、スプーファによって送信される信号が予測不可能なビットの最初の部分にいくつかのエラーを含むことであることを認識した。ターゲットの受信機によって容易に検出されないように、スプーファは、主に、図３Ａ～図３Ｃに示すように、３種類の攻撃、すなわち、推定値攻撃、ランダム値攻撃、及びゼロ値攻撃を実行する可能性がある。

【0039】

推定値攻撃を図３Ａに示す。スプーファは、サンプルごとに予測不可能なビットサンプルを推定しようとし、この推定をスプーフィングされた信号に導入する。そうすることによって、ビットの信頼できる推定値を得ることは実現不可能であるため、ビットの最初の部分はいくつかの符号の変更を含むが、妥当な数のサンプル後、スプーファは予測不可能なビットの実際の値を提供する。

【0040】

ランダム値攻撃を図３Ｂに示す。スプーファは、短期間にビットの先頭に１又は－１のランダム値を導入し、スプーファが予測不可能なビットの値の信頼できる推定値を有する場合、その値はビットの残りに含まれる。

【0041】

ゼロ値攻撃を図３Ｃに示す。スプーファは、短期間にビットの先頭に０の値を導入し、スプーファが予測不可能なビットの値を推定した場合、その値はビットの残りに含まれる。

【0042】

図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃにおいて、スプーファがランダム値又は０を生成する期間は、表１で定義されたパラメータＷ_ｓであることに留意されたい。

【0043】

図２は、本発明によるＧＮＳＳ信号スプーフィング検出方法１００を表すフローチャートを示す。ステップ１１０において、ＧＮＳＳ受信機は、少なくとも１つのＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号をデジタル化し、取得し、追跡し、ＧＮＳＳ信号は、予測可能な部分と予測不可能な部分とを含み、予測可能な部分は予測可能なビットを含み、予測不可能な部分は予測不可能なビットを含む。ＧＮＳＳ信号をデジタル化し、取得し、追跡するための方法は、当技術分野で公知であり、これ以上説明しない。

【0044】

ステップ１２０において、受信機は、１つ以上の追跡されたＧＮＳＳ信号の予測可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）及び予測不可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納する。以下に説明する実施形態では、格納されたシーケンスは同じ予測不可能なビットの一部である。言い換えれば、予測不可能なビットの初期部分は、予測不可能なサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）＝ｙ＊_ｂｅｇ（ｎ）として格納され、予測不可能なビットの末尾部分は、予測可能なサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）＝ｙ＊_ｅｎｄ（ｎ）として格納される。上述したように、予測可能なサンプルシーケンスは予測不可能なビットから得られるが、予測不可能なビットの初期でない部分（すなわち、先頭部分ではない）は通常、スプーファによって正しく推定され、したがって予測可能であると見なされる。

【0045】

ステップ１２５において、受信機は、信号の予測不可能な部分の値（すなわち、ビットの値）、すなわち、予測不可能なサンプルシーケンスが抽出される予測不可能なビットの値を検証する。より具体的には、通常、すべての予測不可能なビットの値が検証されるが、本発明による方法は、少なくともサンプルシーケンスが格納されている予測不可能なビットの値が検証されることのみを必要とすることが容易に理解されよう。これにより、受信機の計算リソースを節減することができる。この予測不可能な部分の検証は、ＧａｌｉｌｅｏのＯＳＮＭＡ機能などのＧＮＳＳ認証プロトコルによって実行することができる。

【0046】

ステップ１３０において、受信機は、予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカとの間の第１の偏相関、及び予測可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカとの間の第２の偏相関を計算する。好ましくは、ステップ１３０は、ステップ１２５において予測不可能なビットが検証された後にのみ行われる。

【0047】

偏相関の計算は、ステップ１３２において以下の式を使用して行われる。

【数5】

ここで、ｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）及びｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）は、１つのコード周期における受信信号のそれぞれＷ_{ｕ，ｄ及び}Ｗ_ｐ，ｄの間の予測不可能なサンプル及び予測可能なサンプルであり、ｘ_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）及びｘ_ｐｒｅｄ（ｎ）は、対応するローカルレプリカであり、ｓａｍｐｌｅｓ＿ｕ及びｓａｍｐｌｅｓ＿ｐは、予測不可能な、それぞれ予測可能な、格納されたサンプルの総数を示す。ｓａｍｐｌｅｓ＿ｕとｓａｍｐｌｅｓ＿ｐは同じである必要はないことに留意されたい。このようにして、偏相関は、予測不可能なビットの初期部分及び最終部分を表す。

【0048】

次のステップ１３４において、予測不可能なビットの符号を除去した後の偏相互相関に対応するＢ_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）及びＢ_ｐｒｅｄ（ｋ）が、
Ｂ_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）＝ｂ（ｋ）Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）及び
Ｂ_ｐｒｅｄ（ｋ）＝ｂ（ｋ）Ｂ´_ｐｒｅｄ（ｋ）
によって定義される。
ここで、ｂ（ｋ）は予測不可能なビットの値（１，－１）である。

【0049】

ステップ１４０において、受信機は、符号除去後の偏相関を使用して、いくつかの所定のメトリックＲから１つ以上を計算する。いくつかのメトリックを以下に説明する。

【0050】

スプーフィングを検出する直感的な方法は、いくつかの予測不可能なビットに基づく衛星コード利得を、Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ－Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ，Ｉｇｎａｃｉｏ，及びＧｏｎｚａｌｏ Ｓｅｃｏ－Ｇｒａｎａｄｏｓによる´´Ｇａｌｉｌｅｏ ＮＭＡ ｓｉｇｎａｌ ｕｎｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｒｅｐｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ´´２０１６ローカライゼーションとＧＮＳＳに関する国際会議（ＩＣＬ－ＧＮＳＳ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ＧＮＳＳ）、ＩＥＥＥ、２０１６年６月２８日で提案されている利得ベースの試験メトリックよりも良好な結果を達成することが分かった。この比較（すなわち、利得比較）を行う１つの方法は、偏相関のＮ_ｂ和の比を計算することである。次に、２つのメトリック間の比の絶対値が計算される。

【数6】

【0051】

スプーファが存在する場合、Ｒ_１は０に近く、スプーファが存在しない場合、Ｒ_１は１に近くなるはずである。

【0052】

しかしながら、メトリックＲ_１の１つの欠点は、受信信号が異なる位相値を有するスプーフィングされた信号及び本物の信号を含む場合、Ｈ_１において任意の値を提供し得ることであり、この異なる位相値の挙動は、複素数値偏相関の複素部分において最もよく表現される。

【0053】

この問題を解決するために、本発明は、実数値の利得ではなく複素数値の偏相関を比較することに基づく４つの他のメトリックＲ_２～Ｒ_５に依存する。第１のメトリックＲ_２を以下に示す。

【数7】

【0054】

Ｒ_２の背後にある考えは、スプーファが存在しない場合、Ｒ_２は０に近いが、スプーファが存在する場合、Ｒ_２はより大きくなるということである。これにより、検出閾値の定義が容易になる。

【0055】

追加のメトリックはＲ_３であり、これは、初期の偏相関と最後の偏相関との間の差の平均を計算することにある。

【数8】

【0056】

Ｒ_３が大きい値である場合、スプーファが存在する。ただし、Ｒ_３が小さい値であれば、スプーファは存在しない。

【0057】

別の興味深いメトリックＲ_４は、予測不可能なビットの初期部分の搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ_０：ｃａｒｒｉｅｒ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ）推定値と、予測可能であると考えられる信号の他の部分の推定値との比較を扱う。Ｃ／Ｎ_０を推定するために、周知の狭帯域広帯域電力比（ＮＷＰＲ：Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ Ｗｉｄｅ－ｂａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）推定器を使用することができる。基本的に、その推定器は、信号の広帯域電力ＷＢＰと信号の狭帯域電力ＮＢＰとの間の比を評価することを必要とする。

【数9】

ここで、

であり、Ｂ_ｘ（ｋ）はビットの任意の部分、例えば予測不可能なビットの初期部分と末尾部分の偏相関である。最後に、搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ_０）推定値は、

として推定することができ、
ここで、Ｔ_ｃｏｈは、偏相関を計算するためのコヒーレント積分時間である。所定のメトリックＲ_４は、ビットの予測可能な部分と予測不可能な部分とのＣ／Ｎ_０推定値の差に基づく。

【0058】

スプーフィング攻撃が存在しない場合、上記のメトリックは０に近い値でなければならず、一方、スプーファ攻撃が存在する場合、このメトリックの大きさはより大きな値を提供しなければならないため、このメトリックを使用してスプーフィング攻撃を検出することができる。
最後のメトリックＲ_５は、初期の偏相関及び最後の偏相関の位相のみを使用する。

【数10】

【0059】

スプーフィングされた信号の存在が受信信号の位相を変更する場合、このメトリックを使用してスプーファを検出することができる。

【0060】

ステップ１５０において、受信機は、ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するために、所定のメトリックＲを所定の閾値と比較する。実際には、閾値は、所定の誤警報確率、例えば０．０２、又は任意の他の所望の値の誤警報確率が得られるように設定される。閾値（及び対応する誤警報確率）は、上述のメトリックＲの各々について異なり得ることが容易に理解されよう。例えば、メトリックＲ_３の場合、閾値は、０．０２の誤警報確率を生じさせる値に設定され得、信号は、メトリックＲ_３が閾値を下回るときにステップ１５２で認証され得、メトリックＲ_３が閾値を上回るときにステップ１５４でスプーフィングされた信号と見なされ得る。

【0061】

一般に、所定の閾値は、誤警報確率Ｐ_ｆａ＝０．０２にリンクされ、帰無仮説（すなわち、スプーファは存在しない）の下でメトリックＲの累積密度関数を導出することによって各メトリックＲに対して決定され得る。より詳細な例を以下に説明する。

【0062】

図２に示す方法は、受信機が拡散コードからＧＮＳＳ信号の到来時間を計算するステップ１６０と、受信機が衛星データを復調することによってその位置、速度、及び時間を計算するステップ１７０とをさらに含む。これは通常、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を使用して行われ、各ＧＮＳＳ信号は拡散コード及び衛星データを含み、衛星データは予測不可能な部分を含む。好ましくは、ステップ１６０及び１７０は、ステップ１５０において少なくとも４つの衛星からのＧＮＳＳ信号が認証された後にのみ行われる。

【0063】

他の実施形態では、予測可能なサンプルシーケンスは、信号の他の部分から、例えば予測可能なビット（の部分）から、及び／又は予測不可能なビットの他の部分（すなわち、初期部分又は末尾部分ではない）から取得され得ることは容易に理解されよう。

【0064】

どの予測不可能なビット、及びその予測不可能なビットのどの部分が相関されるべきかを事前に知っているスプーファは、この優位性を利用することができる。第１に、前回の推測の成否に応じて、可変電力でランダム値攻撃を実施することができるため、第２に、予測可能な相関を改変して、検出器をスプーフィングすることができるためである。両方の優位性は、相関のランダム化によって緩和することができる。言い換えれば、いくつかの実施形態では、格納されたサンプルシーケンスのすべてがメトリックＲの計算に使用される必要はない。例えば、ランダム化された数の予測不可能なビットは使用されない。これにより、特にスプーファがこの種の防御を期待している場合に、ＧＮＳＳ信号スプーフィング方法の検出能力の堅牢性が向上する。

【0065】

上記の説明は、ただ１つの衛星についての単一のスプーフィング信号に焦点を当てていることが理解されよう。しかしながら、本方法は、複数のスプーフィング信号を同時に検出するために容易に使用することができる。実際、以下に示すように、本発明による方法は単一のスプーフィング信号を検出することができることから、スプーファが完全なＰＶＴソリューションを一貫してスプーフィングしたい場合には、複数の衛星信号を同時にうまくスプーフィングする必要があるので、スプーフィングを検出するのにさらに良好に実行される。

【0066】

以下では、Ｒ_１メトリックが先行技術を表すベースライン比較として使用され、Ｒ_２～Ｒ_５が本発明を表す場合に、ゼロ遅延攻撃の存在下で異なるメトリックに対する性能分析が提示される。以下は、最も関連性の高い攻撃状況下での提案されたＲ_１～Ｒ_５メトリックのスプーフィング検出能力のシミュレーションの結果である。提示された結果は、スプーフィング電力の優位性及び攻撃のタイプに関して、最も検出困難なスプーフィングのシナリオを構成する。スプーフィングのシミュレーションパラメータを以下の表２に示す。攻撃タイプに関しては、前述の３つの攻撃のうち、他の２つの攻撃と比較して必要な予測不可能なビット数の上限を提供するため、本発明者らは、提示されたシミュレーションを実行するために推定値攻撃に焦点を当てている。この攻撃は、サンプルごとに予測不可能なビットサンプルを推定し、この推定をスプーフィングされた信号に導入することにある。スプーファによって実行される予測不可能なビットの推定は、次の式を使用することによって追跡段階で容易に実行することができる。

【数11】

【0067】

そうすることによって、スプーファは、ｍごとのビットの推定値を取得する。

【0068】

この攻撃の変形形態は、ビットサンプルをサンプルごとに推定し、その後、攻撃者の信頼度に応じて、スカラー係数を使用してビットの推定値を送信することにある。このサブケースも分析されており、標準的な推定値攻撃と大きく異なることはない。

【0069】

本発明者らはまた、スプーファが受信機に対して最大５ｄＢのＣ／Ｎ_０の優位性を有する場合を評価する。スプーフィングされた信号と実際の信号との間の相対電力に関して、本発明者らは、同じ電力の場合と、スプーフィングされた信号の＋３ｄＢ電力の場合とを評価する。結果は、現実的な数の可視化されたＧＰＳ及びＧａｌｉｌｅｏ衛星を用いて、ＡＷＧＮチャネルについて試験される。シミュレーションでは、様々なメトリックを比較するための良好なベンチマークを提供するので、本発明者らは、０．０２に等しい誤警報確率を生じさせる閾値を使用する。

【表2】

表２：スプーフィングシミュレーションのパラメータ化

【0070】

いずれの場合も、スプーフィング検出確率Ｐ_ｄは、これらのパラメータの異なる組み合わせの下で、異なるビット数Ｎ_ｂで測定される。

【0071】

図４は、ビット当たり２５０ｍｓの相関を有する、誤警報確率が０．０２の場合の、スプーフィング攻撃を検出する確率対予測不可能なビット数を示す。これらの図は推定値攻撃に基づいており、ユーザが実際の信号とスプーフィングされた信号の両方を受信することを考慮している。上の図では、スプーファはユーザと同じ電力で衛星から信号を受信し、下の図では、スプーファはユーザよりも高い電力（３ｄＢ）で信号を受信する。図は、Ｒ_２及びＲ_３技術が最良の性能を提供することを示している。スプーファがユーザの受信機に対して３ｄＢの優位性をもつ場合、Ｒ_２及びＲ_３検出器は、それぞれ２００ビット及び２２０ビットを使用して０．９の検出確率でスプーフィング攻撃を検出することができる。しかしながら、スプーファがユーザ受信機と同じ電力で信号を受信した場合、ユーザ受信機は、それぞれＲ_２及びＲ_３技術を使用して、１００ビット及び１２０ビットを使用してスプーフィング攻撃を検出することができる。Ｒ_１メトリックは、他のすべてのメトリックよりも性能が悪く、特に予測不可能なシンボルＮ_ｂの数が少ないことに留意されたい。

【0072】

前回のシミュレーションでは、ユーザが同じ電力でスプーファ及び衛星から信号を受信することを考慮している。それにもかかわらず、図５の上部のプロットでは、本発明者らは、ユーザは衛星によって送信される信号よりも３ｄＢ大きいスプーファによって送信される信号を受信すると仮定する。このシナリオでは、ユーザ受信機は、前回のシミュレーションよりも容易にスプーフィング攻撃を検出することができる。スプーファがユーザの受信機に対して３ｄＢの優位性をもち、ユーザがスプーファと衛星から同じ信号電力を受信する場合、Ｒ_３メトリックは、０．９の検出確率でスプーフィング攻撃を検出するために２００ビットを必要とする（図４、下のプロット）。しかしながら、ユーザが衛星から送信された信号よりも３ｄＢ大きい信号をスプーファから受信した場合、Ｒ_３は、０．９の検出確率でスプーフィング攻撃を検出するために６５ビットのみを必要とする（図５）。これらの条件では、最良の検出器はＲ_３である。このシミュレーションでは、ユーザの受信機が衛星よりもスプーファからより多くの電力を受信するという事実により、Ｒ_１の性能がそれほど悪くないことは言及に値する。

【0073】

図６において、本発明者らは、偏相関を計算するために使用される異なる窓長の使用によって検出器の性能がどのように影響を受けるかを分析する。０．１２５ｍｓ（上）及び０．５００ｍｓ（下）。窓長が０．２５０ｍｓの場合が図４の下のプロットに示されていることに留意されたい。これらの相関は、標準的な４ｍｓのＧａｌｉｌｅｏのＥ１コードよりもはるかに短いが、他の衛星からの相互相関雑音の場合でも、検出のために必要な利得があることを保証する。結果は、Ｒ_３が偏相関を計算するために使用される異なる窓長に対して非常に類似した性能を提供する一方で、他のメトリックはこのパラメータに対してより敏感であることを示している。メトリックＲ_２は、特定の状況においても有望な性能を示し、窓長の影響を受ける。窓長が適切であれば、非常に良好な性能を提供することができる。しかしながら、時間窓が短すぎても、長すぎても、この手法では検出確率が多少低下する。

【0074】

シミュレーション分析からの結論は、（複素数値偏相関に基づく）Ｒ_２～Ｒ_５メトリックは、利得（すなわち、複素数値偏相関から得られる実数値である）に基づくＲ_１メトリックよりも著しく良好に機能するということである。さらに、提案されたメトリックのうち、Ｒ_３は、最もよく機能するメトリックであり、必要なビットから十分なエネルギーを蓄積できるのであれば、すべての状況に対して十分に堅牢である。２００ビット程度の必要なビット数があれば、スプーファがユーザ受信機よりも電力的に優位性をもつ場合でも、検出器は、９０％より高い確率でスプーフィング攻撃を検出することができる。

【0075】

本方法の実施態様の残りの１つの態様は、ＧＮＳＳ信号の予測不可能な部分、シンボル、又はビットを定義することである。現在のＧａｌｉｌｅｏのＯＳＮＭＡプロトコルは、衛星航法データを認証することを目的としている。本発明者らは、２つのメッセージ認証コード鍵（ＭＡＣＫ：Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ ａｎｄ Ｋｅｙ）ブロック、２０ビットのメッセージ認証コード（ＭＡＣ：Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）、９６ビットの鍵、及びブロックあたり４つのＭＡＣ、というＯＳＮＭＡのベースラインユース事例を検討した。この構成により、受信機は、ＫＥＹビットを考慮しない場合、１５秒間のＭＡＣＫブロックあたり８０ビットの予測不可能なビットを有し、キーの最初の８０ビットが予測不可能とみなされると、同様の時間で約１６０ビットを有することができる。本研究者らは、鍵が予測可能である場合でも、１６０ビット又は２４０ビットの予測不可能なビットを得るために、検出器は３０秒又は４５秒（すなわち、２つ又は３つのＭＡＣＫブロック）に基づくことができると結論付けることができる。シミュレーションの結果に照らして、スプーファにとって優位性のある場合であっても、メトリック（の一部）が機能することができることが分かる。受信機は、メトリックの信頼性を高めるために、合計６０秒間、２つのＧａｌｉｌｅｏのＩ／ＮＡＶサブフレームを待つことを決定することができ、３２０ビットの予測不可能なビットを提供する。

【0076】

Ｒ_３メトリックは、ＧＮＳＳスプーフィングを検出するための最も有望なメトリックと思われるため、以下では、その検出閾値γの計算例が与えられる。スプーファ検出は、メトリックＲ_３と検出閾値との比較に要約され、ユーザの受信機がスプーフィングされているか否かを区別する。検出閾値は、誤警報の個々の確率によって影響を受ける。
Ｐ_ｆａ＝１－ｃｄｆ_Ｒ３（γ｜Ｈ_０）

【0077】

ここで、ｃｄｆＲ_３（γ｜Ｈ_０）は、Ｒ_３のメトリックの累積密度関数である。

【0078】

誤警報の確率は、帰無仮説Ｈ_０（すなわち、スプーファは存在しない）の下でのＲ_３の累積密度関数の知識を必要とする。スプーファが存在しない場合、Ｒ_３メトリックはレイリー分布によく似ている。これは、ビット（又は信号の別の予測可能な部分）の先頭及び末尾における偏相関の値が、ガウス雑音が加えられる実質的に同じ一定値を有するために生じる。したがって、絶対値の内側の項はゼロ平均複素ガウス雑音と考えることができ、メトリックＲ_３はレイリー分布を有する。レイリー分布と基礎となるガウス変数との間の関係を利用して、レイリー分布の平均は、予測可能な部分Ｂ_ｅｎｄ（ｋ）における偏相関の標準偏差から得ることができる。すなわち、レイリー分布の平均は、

に等しく、σ_Ｂは、Ｂ_ｅｎｄ（ｋ）の分散である。したがって、検出閾値γは、以下のように定義することができる。

【数12】

【0079】

図７は、メトリックＲ_３の帰無仮説の下で、理論的な確率密度関数及びシミュレートされた確率密度関数（上のプロット）と誤警報の確率（下のプロット）とを比較したものである。この図は、メトリックＲ_３が実際にレイリー分布によって十分に近似されていることを示している。

【0080】

所望の誤警報の確率を有するためにメトリックＲ_３の閾値を計算する方法の上記の例は、他のメトリックにも適用できることが容易に理解されよう。さらに、誤警報確率にリンクされていない、及び／又はメトリックの累積密度関数に基づいていない他の閾値が使用されてもよい。

【0081】

本発明による方法をＧａｌｉｌｅｏのＯＳＮＭＡプロトコルを参照して説明してきたが、本発明はそれに限定されると考えるべきではなく、提案された方法は他のプロトコルにも適用することができる。

【0082】

本開示の態様を特定の実施形態に関して説明したが、これらの態様は、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内の他の形態で実施されてもよいことが容易に理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2022-03-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

全地球航法衛星システム、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の信号スプーフィングを検出するためのコンピュータで実行される方法（１００）であって、当該方法が、
ａ）受信機において、少なくとも１つのＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号をデジタル化し、取得し、追跡するステップ（１１０）であって、該ＧＮＳＳ信号が予測可能な部分と予測不可能な部分とを含み、該予測可能な部分が予測可能なビットを含み、該予測不可能な部分が予測不可能なビットを含むことを特徴とするステップと、
ｂ）前記受信機によって、前記ＧＮＳＳ信号の前記予測可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）及び前記予測不可能な部分のサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップ（１２０）と、
ｃ）前記受信機によって、前記予測不可能なサンプルシーケンスが抽出される前記予測不可能なビットの値を検証するステップ（１２５）と、
ｄ）前記受信機によって、前記予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）、及び前記予測可能なサンプルシーケンスと該ローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の第２の偏相関Ｂ´_ｐｒｅｄ（ｋ）を

【数1】

及び

【数2】

によって計算するステップ（１３０）と、
ｂ（ｋ）が前記ビットの値である、Ｂ_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）＝ｂ（ｋ）Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ，ｐｒｅｄ}（ｋ）によって該第１の偏相関及び該第２の偏相関の符号を除去するステップ（１３４）と、
ｅ）前記受信機によって、前記第１の偏相関及び前記第２の偏相関から所定のメトリックＲを計算するステップ（１４０）であって、該所定のメトリックＲが、

【数3】

である、ステップと、
ｆ）前記所定のメトリックを所定の閾値と比較し、ＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５０）と、
を含む、方法。

【請求項2】

ステップｂ）が、
－予測不可能なサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）として、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｂｅｇ（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）として、前記予測不可能なビットの末尾部分などの後の部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｅｎｄ（ｎ）を記憶するステップ、又は、
－予測不可能なサンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）として、予測不可能なビットの先頭部分のサンプルシーケンスｙ＊_ｂｅｇ（ｎ）を格納するステップと、予測可能なサンプルシーケンスｙ＊_ｐｒｅｄ（ｎ）として、予測可能なビットのサンプルシーケンスｙ＊_ｅｎｄ（ｎ）を格納するステップ、
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

Ｗ_ｕ，ｄが、前記格納された予測不可能なサンプルシーケンスのうちの１つの持続時間であり、Ｗ_ｐ，ｄが、前記格納された予測可能なサンプルシーケンスのうちの１つの持続時間である、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

Ｗ_ｕ，ｄ及び／又はＷ_ｐ，ｄが、０．０５ｍｓより大きく、好ましくは０．１ｍｓより大きく、より好ましくは０．１２ｍｓより大きく、かつ、１ｍｓより小さく、好ましくは０．７５ｍｓより小さく、より好ましくは０．６ｍｓより小さい、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

ステップｂ）が、前記予測不可能なサンプル及び／又は前記予測可能なサンプルについて、少なくとも５０ビット、好ましくは少なくとも１００ビット、より好ましくは少なくとも１５０ビット、最も好ましくは少なくとも２００ビットの少なくとも一部を表すサンプルシーケンスを格納するステップを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記所定の閾値が、前記ＧＮＳＳ信号が本物であるという仮説の下での前記メトリックＲの累積密度関数に基づく、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記所定の閾値が、０．０２の誤警報確率を生じさせる値に設定される、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

ステップｆ）が、信号スプーフィングが、好ましくは、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を下回るときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップ（１５２）と、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５４）と、
によって検出されないときに、前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

ステップａ）が、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からＧＮＳＳ信号を受信するステップを含み、該ＧＮＳＳ信号が拡散コード及び衛星データを含み、該衛星データが前記予測不可能な部分を含み、前記方法が、
ｇ）前記受信機によって、前記拡散コードからＧＮＳＳ信号の到来時間を計算するステップ（１６０）と、
ｈ）前記受信機によって、前記衛星データを復調することによって衛星の位置、速度、及び時間を計算するステップ（１７０）と、
を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

ステップｆ）が、信号スプーフィングが、好ましくは、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を下回るときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップ（１５２）と、
－ＧＮＳＳ信号の所定のメトリックが前記所定の閾値を上回るときにＧＮＳＳ信号スプーフィングを検出するステップ（１５４）と、
によって検出されないときに前記ＧＮＳＳ信号を認証するステップを含み、
ステップｇ）及びステップｈ）が、少なくとも４つの異なるＧＮＳＳ衛星からの少なくとも４つのＧＮＳＳ信号が認証された場合にのみ実行される、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

ステップｂ）が、ランダムに選択された予測不可能なビットに基づいて、前記ＧＮＳＳ信号の前記予測不可能な部分の前記サンプルシーケンスｙ＊_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｎ）を格納するステップを含み、又は、
ステップｄ）が、前記予測不可能なサンプルシーケンスのランダムに選択されたサブセットに基づいて、前記予測不可能なサンプルシーケンスとローカルに格納されたＧＮＳＳ信号レプリカｘ（ｎ）との間の前記第１の偏相関Ｂ´_{ｕｎｐｒｅｄ}（ｋ）を計算するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段を備える、データ処理装置、特に全地球航法衛星システム、ＧＮＳＳ、衛星航法装置又は移動通信装置などの信号受信機。

【請求項13】

前記プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含む、コンピュータプログラム製品。

【請求項14】

コンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含む、コンピュータ可読記憶媒体。

【国際調査報告】