物理不可克隆函数的机器学习防御与攻击综述

随着卫星导航技术的发展,芯片、模块和板卡等导航产品被广泛应用到各种导航终端设备上,但这些设备在开放环境中的通信安全问题日益凸显。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)是一种新型“硬件指纹”技术,基于PUF的身份认证方式可以对设备进行硬件层面的认证,满足其轻量级和高安全性的认证需求。针对多数PUF易受到机器学习(Machine Learning, ML)建模攻击的问题,对不同的结构改进方法进行介绍,分析了几种常用ML攻击算法的特点,提出了防御和攻击两方面的性能评价方法,从安全性方面讨论了PUF的未来发展趋势。

利用分时刷新和位置约束的卫星载荷BRAM抗辐照设计方法

为解决星载资源严格受限条件下,静态随机存取存储器型现场可编程门阵列中块随机存储器(block random access memory,BRAM)的轻量级、高可靠抗辐照加固难题,提出了一种基于分时刷新和位置约束的卫星载荷BRAM抗辐照加固设计方法,通过监控算法执行时隙实现BRAM分时刷新,并增加位置约束有效降低三模冗余后两模设计同时发生异常的概率,以较少的资源消耗有效提升BRAM在轨抗辐照可靠性。重离子加速试验结果表明,采用分时刷新和位置约束加固方法后,卫星载荷单粒子功能中断截面下降约81.63%,在轨BRAM异常由3颗星2年发生3次减少为25颗星2年未发生,在轨抗辐照可靠性大幅提升。

利用整帧翻转的SRAM型FPGA故障注入加速算法

不可恢复异常比特位(unrecoverable-sensitive bits,UR-SB)不能通过定时刷新修复,会造成卫星载荷在轨服务的长时间中断,是地面故障注入试验需要着重评估和改善的。但UR-SB占比极低,若采用传统逐位翻转故障注入方法,其测试耗时太长,效率极低。提出了一种基于整帧翻转的静态随机存取存储器型现场可编程门阵列的故障注入加速算法,其通过整帧翻转能够快速筛除不存在UR-SB的配置帧,并进一步用二分法对存在UR-SB的配置帧进行快速搜索,有效加速了UR-SB的精确定位过程。以在轨常用XQR2V3000器件为例,理论分析在较差情况下测试效率可提升207倍,信号生成载荷实测结果最高可提升949倍,理论分析和实测结果均验证了所提加速算法的有效性。

基于FIR模型的多径抑制方法研究

多径效应是卫星导航系统的主要误差源之一。在现有研究中,基于最大似然估计准则的方法被认为是最佳的多径抑制技术,但是当存在多路信号且路径数量未知时,其计算尤为复杂。本文提出了一种基于FIR模型的多径抑制方法,利用基准相关函数和最小均方误差准则对接收信号进行参数估计和多径信号对消。该方法具有实现简单,易于实时信号处理,计算量与多径路数无关等优点。仿真结果表明,其性能略优于基于最大似然估计准则的MEDLL(Multipath EstimatingDelay Lock Loop)技术。

基于差分结构的高分辨率多相关器实现技术

多相关器技术被广泛的应用于多径抑制和自主完好性监测等算法中,但采用传统结构实现会带来计算量的显著增长。提出了一种高效的多相关器实现技术,利用伪码差分序列中非零个数远少于采样点数的特点,采用差分结构实现多相关器以减少计算量和硬件规模。研究结果表明,在相关器间隔为1/16码元宽度条件下,其计算量只有传统结构的1/32,硬件规模只有传统结构的1/8。

基于FPGA的数字下变频器设计

数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一,本文首先介绍了数字下变频器的原理,然后主要讨论了基于FPGA的数字下变频实现方法。FPGA具有大容量,可编程的特性,以及设计和修改方面的灵活性,使得用FPGA来代替专用下变频芯片更加符合软件无线电的思想。

XFAST长码直捕算法参数优化设计

提出一种以单位码相位搜索计算量最小为优化目标,捕获概率和虚警概率确定条件下的XFAST参数优化算法。首先研究存在伪码多普勒条件下的XFAST算法的捕获概率和虚警概率的精确解析表达式,其次对单次XFAST搜索相位数进行分析,在此基础上计算搜索单位相位所需计算量。并给出了在载波多普勒不确定度固定-6^+6 kHz和载噪比固定46 dBHz条件下的捕获单位计算量最小的参数优化设计,可以实现捕获概率为95%,虚警概率为1×10-6的性能,最后通过仿真结果验证了本文理论优化算法的正确性。

子空间投影后波束形成的导航接收机抗干扰性能分析

利用导航信号淹没于干扰信号和热噪声的特点,将天线阵列接收的空时信号矢量向干扰子空间的正交子空间投影以实现干扰抑制。当接收机对投影后的单阵元数据捕获成功后,利用捕获估计的本地扩频码相位作为参考信号,依据最小均方误差准则进行波束形成。仿真结果表明该抗干扰算法在零陷强干扰的同时使主波束指向导航信号来波方向,有效提高了阵列输出信干噪比,并降低了空时自适应处理对导航信号伪码相关峰形状和载波跟踪性能的影响。

导航接收机中基于反正切鉴别器载波环路的分析及优化设计

该文首次给出了数字反正切鉴别器环路的精确建模和分析,得到了不同信噪比下的等效环路带宽和收敛区间,通过推导可知低信噪比下的等效环路带宽约为高信噪比下的1/3,收敛区间约为高信噪比下的1/2;低信噪比下振荡器短稳和动态应力引起的跟踪误差约为传统理论分析结果的9倍;输入信噪比降低10dB,热噪声引起的跟踪误差约增加20dB。通过仿真对等效环路带宽以及鉴别器方差分析的正确性进行了验证。最后,根据总跟踪误差与收敛区间的在不同信噪比下的关系,给出了反正切环路最低可稳定工作的信噪比门限以及对应的环路参数设计方法。该文的结论可用于导航接收机的精确设计。

基于混合时钟三阶DDS的信号多普勒模拟方法

在高动态卫星导航信号模拟器中,信号多普勒频移模拟是一项关键技术。结合现场可编程门阵列的特点,建立了分析混合时钟三阶直接数字频率综合(DDS)输出相位的仿真模型,推导了其输出相位表达式,给出了各阶DDS初始累加控制字的计算方法,并指出等时钟三阶DDS仿真模型仅为混合时钟仿真模型的特例。在分析了混合时钟速率对信号相位模拟造成的误差后,讨论了各阶DDS的字长设计方法,并与等时钟三阶DDS进行比较,说明了采用混合时钟三阶DDS可以降低实现资源消耗和功耗。仿真分析表明,所提方法可以实现对信号多普勒特性的高精度模拟。

多全球导航卫星系统联合的探月飞行器轨道定位分析

针对探月飞行器月球公转轨道上的卫星导航定位问题,以高轨道飞行器卫星导航定位的研究为基础,采用多全球导航卫星系统联合定位的方法进行仿真。分析了载波功率与噪声功率密度比为15d BHz的弱信号捕获门限下,各系统联合定位时波束主瓣和旁瓣的可用性,同时对各系统联合情况下的精度因子值进行分析。仿真结果表明:当接收到的卫星天线辐射的主瓣和旁瓣信号均高于载噪比门限时,全球导航卫星系统的三系统或四系统的联合能满足实时定位条件;而旁瓣损耗不加以补偿时,接收信号载噪比低于门限并导致任意联合方式均无法完成定位。各系统联合的精度因子分析表明:单系统或双系统联合的几何精度因子变化剧烈,四系统联合相比三系统联合的几何精度因子下降16.93%;三系统联合定位方案中,美国全球定位系统、中国的北斗卫星导航定位系统与欧洲的伽利略卫星导航定位系统联合方案的几何精度因子值变化最平稳,为最佳选择。理论分析和仿真结果为探月飞行器定位技术研究和星载多系统接收机设计提供参考。

一种考虑异常中断的导航星座星间链路路由改进算法

为解决导航星座星间链路异常中断时的路由问题,提出一种考虑链路异常状态的路由改进算法。通过导航星座特有的星间测距信息进行链路异常检测与识别,根据检测出的链路异常状态对K短路径路由算法进行改进。对改进算法与K短路径算法及泛洪策略进行比较分析,研究结果表明:在处理链路异常中断时,改进算法比泛洪策略增加的额外链路负担更小,时效性更高;而在链路传输时延及链路切换次数上改进算法与K短路径算法相当。

二进制偏移载波调制信号畸变误差评估指标

针对三种常见的信号畸变,给出完善的畸变误差评估指标,从而能够全面评估畸变误差。同时采用提出的评估指标对北斗全球系统B1频段上的基线信号BOC(14,2)及MBOC(6,1,1/11)信号进行评估。所提出的畸变误差评估指标能够用于评估现代卫星导航信号的畸变误差,对现代导航信号体制设计及完好性监测均具有指导意义。

采用副载波参考波形方法的GNSS双载波环多径抑制技术

为了实现对高阶二进制偏移载波(BOC)信号的无模糊和抗多径接收,将码相关参考波形的闸波设计思路应用于GNSS双载波环路接收方法的副载波锁相环。在副载波锁相环中引入设计的闸波参与信号的相干积分过程,使双载波环法具备抗多径性能且不需要额外引入相关器。对该设计方法的理论和具体实现进行阐述和分析,从副载波多径误差包络和跟踪精度两方面对改进的双载波环路方法性能进行评估。仿真结果显示,采用的算法与双载波环路法相比,可以降低BOC(1,1)信号81.1%的副载波多径误差包络面积以及BOC(14,2)信号75.1%的副载波多径误差包络面积。但是,改进的双载波环路法会带来-6 dB的相干积分后载噪比损失,降低跟踪精度。因此,在闸波参数设计上,需要谨慎选择以平衡算法的多径抑制和跟踪精度性能。综合来看,该方法适用于解决非弱信号条件下及多径环境下的高阶BOC信号接收问题。

AltBOC信号码跟踪性能研究

通过分析AltBOC(15,10)信号的功率谱密度、自相关函数,得出该信号在码跟踪性能上的理论优势,并根据Betz码跟踪评估理论仿真分析了接收机前端带宽、相关器间隔、环路鉴别器类型、载噪比以及全频带和单边带两种接收方式对该信号码跟踪精度的影响,并且通过与BPSK(10)、BOC(15,10)和单边带AltBOC(15,10)信号对比,得出AltBOC(15,10)信号在码跟踪精度上的优势,为AltBOC接收机设计提供理论依据。

基于并行频率测量的TCXO高效测试技术

当前的温补晶振测试系统受频率测量容量制约,测试效率不高,本文提出了一种基于直接测频法的并行频率测量方法,并采用该方法实现了并行TCXO测试系统。该测试系统已经可以对至少100颗TCXO同时进行测试,且测试容量还可以进一步增加。该测试系统的频率相对测量误差低于±4×10-9,完全符合目前TCXO的设计和生产精度要求。应用该并行测试系统可显著提高TCXO测试与生产的效率。

一种采用硬件加速器的卫星导航接收机通用验证平台

随着卫星导航接收机性能的倍增,接收机内数字集成电路规模日益庞大,仿真验证能力已经成为制约规模庞大、功能复杂的数字接收机集成电路设计制造的瓶颈。仿真验证作为芯片前端设计验证的重要环节正不断进步,传统的卫星导航接收机使用的NC-Sim、ModeSim等软件仿真的速度劣势尽现,难以胜任大数据量仿真验证;现场可编程门阵列加载Chip-Scope在线仿真验证虽然速度很快,但是可见波形少,存储数据长度有限,无法设置触发条件,每次修改后需要花费大量的时间重新综合、布局布线,无法适应现代数字卫星导航接收机集成电路开发的需求。为适应北斗导航接收机数字基带芯片的开发需求,设计了一种采用Palladium硬件仿真加速器的卫星导航接收机通用验证平台,实时接收基带数据,完全模拟卫星导航接收机工作的实际状态。对大规模集成电路设计而言,与传统方法相比,具有综合时间最短、仿真时间最少、所有信号波形可见、数据存储长度大、触发条件可灵活配置的卓越性能。

惯导辅助的三元天线阵欺骗干扰检测算法

对欺骗信号的到达角检测是目前最有效的欺骗检测方法之一,常用的到达角检测又分为载波相位单差和载波相位双差检测。载波相位单差检测技术不能应用于运动载体,载波相位双差技术对多阵元发射的欺骗信号或单路欺骗信号失效。针对该问题,提出一种惯导辅助的三元天线阵欺骗干扰检测技术,该算法主要应用于车辆运动载体,运动载体只需在某一时间段内运动一段距离即可利用该算法进行欺骗干扰检测。该算法对多阵元发射的欺骗信号或单路欺骗信号都同样有效。通过理论分析和仿真实验验证了所提方法的有效性,并得出天线阵基线长度越长,运动位移越大、欺骗源距离接收天线越近,信号入射方向与天线位移方向夹角越接近90°,该方法检测性能越优的结论。

北斗导航信号电离层闪烁模拟及其影响

电离层闪烁具有突发性、偶发性和区域性,且难以建模准确刻画。针对电离层闪烁影响下的北斗导航信号复现问题,研究了基于应用伽马分布和零均值高斯分布模型的导航信号电离层闪烁序列生成方法,并基于国防科技大学电子科学与工程学院研制的NSS8000型多体制导航信号模拟器给出了北斗导航信号电离层闪烁模拟的硬件架构。在此基础上,通过中频信号采样和软件接收机处理,分析了电离层闪烁对北斗接收机跟踪环路的影响。结果表明:在相位闪烁指数为0,幅度闪烁指数为0.9时,码环鉴相误差可达0.05 chip;而在幅度闪烁指数为0,相位闪烁指数为0.5时,载波环鉴相误差可达15°,处于失锁的临界状态。

局部最大延迟检测抗转发欺骗干扰算法

接收机在进行窄带干扰抑制后,其输出信号的相关峰会发生分裂。使用传统的基于信号到达时间的抗转发欺骗干扰算法,会使得捕获锁定的相关值为真实信号的旁瓣。针对该问题提出一种基于局部相关值最大的时延检测方法,在真实信号相关峰分裂所产生的旁瓣与欺骗信号不重合前提下,通过对主瓣三个码片范围内最大值的搜索,保证捕获不会锁定在旁瓣,再选择局部最大值中的最早码相位点从而避免锁定到转发欺骗干扰。与传统的基于信号到达时间的抗转发欺骗干扰算法相比,在无窄带干扰情况下,所提算法性能相当;在存在窄带干扰情况下,其性能明显优于传统算法。通过数值仿真验证了方法的有效性。