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

n, 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, Galileo, Beidou,). 
Sau đó sẽ phát tín hiệu mô phỏng GPS và nhiễu mô phỏng. Các nhiễu mô phỏng 
này đủ lớn để bộ thu không bám được theo các tín hiệu của các vệ tinh trong hệ 
thống GNSS thực mà chỉ bám theo các tín hiệu giả mạo. Cấu trúc của tín hiệu mà 
bộ thu GNSS nhận được có dạng như sau [15]: 
Kỹ thuật điện tử 
N. V. Hiên, , H. V. Hiệp, “Phương pháp sinh dữ liệu  điều khiển bằng phần mềm.” 180 
 (1) 
Trong đó: là tín hiệu của vệ tinh thứ k tại tần số L1; là tín hiệu 
nhiễu do hiện tượng nhiễu đa đường gây ra, nhiễu đa đường này sẽ được tính toán 
bằng cách áp dụng các mô hình nhiễu đa đường khác nhau; là tín hiệu can 
nhiễu, các tín hiệu can nhiễu sẽ được tính toán từ các mô hình can nhiễu khác 
nhau; tổng hợp các thành phần nhiễu khác; N, M, K tương ứng là số lượng 
vệ tinh, số lượng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường, và số can nhiễu lên 
tín hiệu. 
Đối với hệ thống mô phỏng, nếu không xét đến hiệu ứng đa đường và can nhiễu 
thì hai thành phần này có thể bỏ qua chúng ta có thể bỏ qua vai trò của hai thành 
phần này. Tín hiệu của vệ tinh thứ k tại tần số L1 được mô hình hóa như sau: 
 (2) 
Trong đó: là năng lượng tín hiệu của vệ tinh tại bộ thu, năng lượng này có 
thể tính được thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu do người dùng chọn; là trễ 
truyền lan của vệ tinh k đến bộ thu, tham số này có thể được tính ra từ vị trí của 
các vệ tinh tại thời điểm t (lấy từ lịch thiên văn) và vị trí của bộ thu – người dùng 
(tham số đầu vào của máy thu); là tần số Doppler gây ra bởi sự chuyển động 
của vệ tinh và bộ thu, thông tin này có thể tính toán từ vận tốc của người dùng; 
là tần số L1 của GPS; là độ lệch pha ban đầu, tham số này có thể cho người 
dùng tùy chọn; là mã trải phổ của vệ tinh k, thông tin này có thể tra 
trong bản đặc tả hệ thống GPS; là bản tin định vị vệ tinh k, thông tin 
này có thể tính ra từ lịch thiên văn. 
Hình 2. Phương pháp sinh mã trải phổ GPS L1 [16]. 
Các tham số năng lượng của tín hiệu và nhiễu có thể được xác định dựa trên 
công thức tính toán tỉ số tín hiệu trên nhiễu của bộ thu như sau: 
 (3) 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 181 
trong đó, , và tương ứng là năng lượng của tín hiệu, năng lượng của 
nhiễu nền và băng thông nhiễu tương đương [16]. 
Tham số là tỉ số sóng mang trên nhiễu và là đầu vào của bộ mô phỏng. 
Tham số này là khác nhau cho từng vệ tinh. Nếu không tính đến ảnh hưởng của 
nhiễu thì tham số này hoàn toàn phụ thuộc vào khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu. 
Tuy nhiên, vai trò của nhiễu ở các tầng điện ly, đối lưu và kể cả nhiễu nền là không 
thể bỏ qua nên vai trò khoảng cách ở đây có thể được bỏ qua. 
Giá trị độ lệch pha được xác định dựa vào khoảng cách từ bộ thu đến các vệ 
tinh mô phỏng. Vị trí các vệ tinh mô phỏng được xác định dựa trên thông tin lịch 
thiên văn và thời điểm mô phỏng [15]. Các tham số lịch thiên văn này cũng là 
tham số sẽ được đưa vào để mã hóa luồng dữ liệu . Mã trải phổ của tín hiệu 
được xác định dựa theo tài liệu đã công bố của GPS. 
3. MÔ HÌNH KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG GÓC TỚI 
DỰA TRÊN TRỊ ĐO PHA 
Trong trường hợp xác định được giá trị đo pha sóng mang của hai bộ thu độc 
lập cùng nhận được từ một vệ tinh trong cùng thời điểm mà khoảng cách giữa hai 
bộ thu rất nhỏ so với khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu. Khi đó, độ trễ tầng điện ly 
và tầng đối lưu của hai bộ thu có thể được coi là giống nhau và được loại bỏ trong 
sai phân đơn. 
Sai phân đơn trị đo pha của mỗi vệ tinhnhư sau: 
 (4) 
Trong đó: Chỉ số (1) và (2) biểu thị các phép đo của hai bộ thu riêng biệt; là 
trị đo pha sóng mang của vệ tinh thứ i (i = 0, 1, 2, ..., I), được tính bằng mét; là 
khoảng cách hình học giữa bộ thu và vệ tinh; là sai phân của thành phần 
không xác định trong pha sóng của hai bộ thu; là lỗi đồng hồ trong bộ thu; 
là các lỗi không mô hình được trong tín hiệu vệ tinh. 
Sự khác biệt của khoảng cách hình học giữa vệ tinh thứ i và bộ thu có thể được 
biểu thị như trong [11, 12]: 
 cos (5) 
Trong đó: D là khoảng cách giữa hai ăng ten; là giá trị góc tới của vệ tinh i. 
Phép tính sai phân kép trị đo pha (DD) giữa sai phân đơn của vệ tinh thứ i và vệ 
tinh tham chiếu ‘0’, loại bỏ được lỗi đồng hồ trong (4) được thể 
hiện trong biểu thức (6): 
(6) 
 cos cos 
Sai phân phần nguyên không xác định được loại bỏ thông qua hàm làm tròn 
như sau: 
(7) 
 cos cos 
Kỹ thuật điện tử 
N. V. Hiên, , H. V. Hiệp, “Phương pháp sinh dữ liệu  điều khiển bằng phần mềm.” 182 
Như trong (7) thành phần phần dư chỉ chứa sai phân góc tới của các vệ 
tinh. Trong trường hợp các tín hiệu vệ tinh được phát cùng 1 hướng thì 
 . Trong trường hợp tín hiệu thu từ các vệ tinh thực thì . 
4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 
Để tiến hành kiểm thử hệ thống có khả năng sinh tín hiệu đa hướng, thực hiện 
xác định góc tới bằng phương pháp ước lượng giá trị góc tới theo sai phân kép trị 
đo pha như trong [3, 11, 12]. Trước tiên, phải xác định thời điểm kiểm thử, sau đó 
tiến hành theo hai bước: 
- Thu dữ liệu thật tại thời điểm đó sử dụng bộ thu Septentrio và tiến hành xác 
định độ lệch pha của các vệ tinh; 
- Mô phỏng tín hiệu tại thời điểm đó, dùng bộ thu Septentrio và xác định giá trị 
độ lệch pha của các vệ tinh. 
Hệ thống GNSS mô phỏng đa hướng được thiết lập như trong hình 3 dưới đây: 
Hình 3. Cấu hình kiểm thử hệ thống mô phỏng GNSS. 
4.1. Xác định tham số độ lệch pha các vệ tinh thật 
Trên hình 4 biểu diễn giá trị ước lượng sai phân giá trị góc tới của các vệ tinh 
thực khi thu bằng hệ thống 2 ăng ten trong điều kiện bình thường ngoài trời. Như 
trong hình vẽ, các vệ tinh đến từ nhiều hướng khác nhau nên giá trị sai phân góc 
tới tính được của các vệ tinh là khác nhau. Do đó, nằm trong khoảng 
(-0.5 ÷ 0.5). 
Hình 4. Độ lệch pha đối với tín hiệu thật. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 183 
4.2. Độ lệch pha đối với tín hiệu mô phỏng 
Trong hình 5, kết quả thu được của bộ mô phỏng thông thường, các phần dư sai 
phân kép trị đo pha của các vệ tinh xấp xỉ bằng 0. Do vậy, bằng các phương pháp 
thông thường như sử dụng trung bình bình phương trong [11, 12] có thể phát hiện 
được tín hiệu giả mạo. 
Hình 5. Độ lệch pha của tín hiệu mô phỏng thường. 
Trong trường hợp sử dụng bộ mô phỏng phát tín hiệu của 10 vệ tinh tại các hướng 
khác nhau đối với bộ thu. Hình 6 là kết quả sau khi thực hiện tính toán sai phân kép 
trị đo pha của 2 bộ thu. Các trị đo sai phân kép của các vệ tinh mô phỏng trong 
trường hợp này cho kết quả tương tự với các kết quả thu được từ các vệ tinh thực. 
Hình 6. Độ lệch pha của tín hiệu mô phỏng đa hướng. 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày một phương pháp sinh tín hiệu GNSS đa hướng với chi phí 
thấp. Phương pháp này vô hiệu hóa hầu hết các kỹ thuật phát hiện tín hiệu giả mạo 
GNSS hiện đại và thường được sử dụng ngày nay. Dữ liệu mô phỏng được sinh lần 
lượt cho từng ăng ten và thu lại bằng bộ thu Septentrio. Kết quả mô phỏng và thử 
nghiệm với phương pháp ước lượng AOA dựa trên sai phân kép trị đo pha chỉ ra 
rằng, các vệ tinh có độ lệch pha trong trường hợp bị tấn công tương tự như trường 
Kỹ thuật điện tử 
N. V. Hiên, , H. V. Hiệp, “Phương pháp sinh dữ liệu  điều khiển bằng phần mềm.” 184 
hợp vệ tinh thực. Với phương pháp này, bộ mô phỏng có khả năng vượt qua 
phương pháp phát hiện tín hiệu giả mạo tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay đó là 
dựa trên ước lượng góc tới của tín hiệu vệ tinh. 
Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Chương trình học bổng đào tạo 
thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup(VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu 
lớn (VINBIGDATA). Đồng thời, gửi lời cảm ơn đến Chính phủ Việt Nam trong khuôn 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 5 (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. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 185 
[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, 3 (2012), 177–193. 
[18]. Humphreys, T. E. “Detection strategy for cryptographic GNSS anti-
spoofing.” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 49, 2 
(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. “Receiver-
autonomous 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 high-
end receivers. 
Keywords: Satellite positioning; Software Defined Radio; Signal simulation. 
Nhận bài ngày 21 tháng 3 năm 2020 
Hoàn thiện ngày 31 tháng 7 năm 2020 
Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020 
Địa chỉ: 1Đại học Bách khoa Hà Nội; 
2Viện Điện tử/Viện KH-CN quân sự. 
*Email: caotoanryazan@gmail.com.