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GalSAS-SDR-SIM: An End-to-End Simulation Platform for Galileo Signal Authentication Service

本文介绍了 GalSAS-SDR-SIM，这是一个开源软件定义无线电仿真平台，它通过将 E6 代码加密与 OSNMA 密钥公开相结合来模拟伽利略信号认证服务（Galileo Signal Authentication Service），从而在真实世界 SAS 信号可用性有限的情况下，实现具备认证能力的接收机的开发与评估。

原作者： Haiyang Wang, Yuanyu Zhang, Wensen Du, Ji He, Pinchang Zhang, Ning Xi

发布于 2026-08-04

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CC BY 4.0

原作者： Haiyang Wang, Yuanyu Zhang, Wensen Du, Ji He, Pinchang Zhang, Ning Xi

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，天空中布满了隐形的灯塔，向下方发射着秘密代码，精准地告诉你的手机你在哪里以及现在是什么时间。这就是全球导航卫星系统（GNSS，例如欧洲的伽利略系统）的工作方式。它们是我们现代世界的无声守护者，引导着从送货卡车到电网的一切事物。然而，这里有一个问题：这些信号目前就像是公开的明信片。任何人都可以阅读它们，不幸的是，任何人也可以伪造它们。黑客可以发送一个看起来与真实信号完全一致的假信号，从而欺骗你的手机，让它以为自己身处另一座城市或处于不同的时间。这被称为“欺骗”（spoofing），是一场危险的数字欺骗游戏。为了阻止这种情况，科学家们正在构建一种“信号认证服务”（SAS）。把 SAS 想象成一名高科技保安，它不仅检查身份证（导航信息），还会验证个人的指纹（信号的唯一代码），然后才允许其进入。但问题在于：这个新的安全系统仍处于建设阶段。没有人拥有最终的蓝图或真实的运行信号，来测试他们自己的安全员（接收机）。由于没有真实的信号可以进行练习，开发者们只能靠猜测来构建最佳防御措施。

这就是论文《GalSAS-SDR-SIM》通过一个聪明的解决方案介入的地方。作者们——一个研究团队——构建了一个名为 GalSAS-SDR-SIM 的虚拟游乐场。这是一个开源模拟平台，充当了一个“虚假但真实”的信号生成器。与其等待真实的伽利略卫星广播新的安全信号，不如用这款软件直接在计算机上创建它们。它模拟了整个伽利略信号认证服务的过程，结合了两层安全机制：一层检查信息（OSNMA），另一层检查信号代码（SCA）。该平台就像是一个卫星信号的视频游戏关卡设计师；它允许研究人员设置特定的场景，选择可见的卫星，甚至可以微调安全检查的难度。通过使用这个工具，他们可以生成看起来和表现起来都与真实情况完全一致的信号，从而测试不同的接收机识别假信号的能力。

论文证明了这个模拟器运行得非常完美。在实验中，团队为特定的位置和时间生成了信号，并将其输入到一个原型接收机中。该接收机成功验证了信息和代码，证明了该模拟器的准确性足以用于实际研究。他们发现，该系统的信号认证成功率超过 99%，这意味着它极少出错。然而，他们也发现这种额外的安全性是有代价的。检查信号的频率越高（时间间隔越短），接收机所需的计算机内存和处理能力就越大。例如，当他们增加检查频率时，接收机需要存储的数据量从约 12 MB 跳升到了超过 124 MB。他们还测试了系统如何处理“噪声”（静态干扰）。他们发现，如果信号太弱，接收机会直接拒绝猜测并拒绝数据，这是一种安全的失败方式。但当信号足够强时，即使假信号试图使用错误的密钥，系统也能以近乎完美的准确度区分出真实信号与假信号。

最终，这篇论文并不声称已经永久解决了卫星欺骗问题，也不代表最终的伽利略系统已经准备就绪。相反，它提供了一个至关重要的工具：一个可重复的、开源的方式，让科学家和工程师能够在真实的业务上线之前，进行练习、测试并改进他们的接收机。通过模拟卫星加密代码与接收机解密密钥之间复杂的舞蹈，GalSAS-SDR-SIM 确保了当真实的系统启动时，我们的手机和电网能够随时识破骗局。作者表明，虽然安全性很稳固，但接收机的设计需要在安全检查频率与电池及内存消耗之间进行智能平衡。这个模拟器正是将帮助构建下一代不可破解导航的训练场。

技术摘要：GalSAS-SDR-SIM

问题陈述
伽利略（Galileo）导航系统正在开发信号认证服务（SAS），以增强针对欺骗攻击的韧性。该服务结合了 E1 频段上的开放服务导航消息认证（OSNMA）与 E6 频段上的扩频码认证（SCA）。虽然 OSNMA 可以认证导航消息，但它无法防止通过在保持有效消息数据的同时操纵码相位来进行的信号级攻击。SAS 通过对 E6-C 扩频码片段进行加密，并使用 OSNMA 派生的密钥对其进行重加密（即重加密码序列，RECS）来解决这一问题。

然而，目前存在一个显著的瓶颈：操作中的 SAS 信号尚未广泛向研究人员或接收机开发者开放。公开的信号空间（signal-in-space）活动在时间、几何分布和配置方面都受到限制。因此，接收机制造商无法提前开发或评估具备 SAS 能力的接收机，研究界也缺乏一个可重复的环境来分析 SAS 的性能、安全性及优化策略。

方法论
为了填补这一空白，作者提出了 GalSAS-SDR-SIM，一个开源软件定义无线电（SDR）仿真平台。该系统旨在通过将 E6 码加密与 OSNMA 密钥披露过程相结合，来模拟完整的 SAS 工作流。

架构： 该平台采用模块化设计，包含场景生成、导航消息构建、OSNMA 数据生成、扩频码加密、观测估计以及基带信号合成。它支持离线基带生成以及通过 SDR 硬件（具体为 USRP B210s）进行空中传输。
信号生成： 系统根据用户定义的地点、时间和历元数据，生成同步的伽利略 E1、E5b 和 E6 信号。
- E1： 携带带有 OSNMA 字段（HKROOT 和 MACK）的 I/NAV 消息，支持自认证、跨频段（E5b）及跨卫星认证。
- E6： 携带加密的 E6-C 组件。平台选择特定的片段（加密码序列，ECS），使用源自未来 OSNMA TESLA 密钥的密钥对其进行重加密以创建 RECS，并生成相应的元数据文件。
接收机评估： 使用修改后的开源 GNSS-SDR 接收机来验证生成的信号。接收机获取 E1 信号以验证 OSNMA 根密钥和 TESLA 链，获取已披露的密钥，解密 RECS 文件以重建本地 ECS 副本，并将其与存储的 E6-C 快照进行相关运算，以验证测距测量值。
可配置性： 该平台允许灵活配置关键的 SAS 参数，包括 RECS 周期（100–1000 ms）、ECS 长度（4, 8, 16 ms）、窗口位置以及跨卫星认证策略（例如， $N_{ca}$ ，即分配给标签的最邻近卫星数量）。

核心贡献

端到端仿真平台： 作者设计了一个统一的平台，能够联合模拟伽利略 E1、E5b 和 E6 信号，将 OSNMA 消息认证与 E6-C 扩频码认证集成在一起。它支持离线处理和基于 SDR 的传输。
可配置的 SAS 和 OSNMA 实现： 该平台支持配置 RECS 生成、调度、认证周期和跨卫星认证策略。它支持对时间、位置和卫星可见性的场景控制。
接收机侧评估工作流： 作者实现了一个工作流，用于验证 OSNما 认证的导航数据和经过认证的 E6-C 码测量值。他们进行了广泛的实验，以分析认证正确性、延迟、参数敏感性和计算开销。

实验结果
论文通过以下实验对平台进行了评估：

OSNMA 骨干网： 在 10 小时的模拟中，平台生成了 25,191 个标签，实现了 99.57% 的整体认证成功率。跨卫星认证策略（ $N_{ca}=4$ 和 $N_{ca}=6$ ）保持了超过 96% 的已认证卫星比例，首次认证定位时间（TTFAF）的中位数为 102 秒。
端到端 SAS 验证： 在基准配置（200 ms RECS 周期，16 ms ECS）下，接收机实现了 100% 的检测概率（Pd）和 0% 的错误密钥误报率。平均认证延迟为 45.1 秒，这与延迟密钥披露机制一致。
配置敏感性：
- RECS 周期： 将周期从 1000 ms 缩减至 100 ms，使认证速率从 3 增加到 30 条记录/秒，但也按比例增加了 RECS 文件大小（从 12.4 MB 增至 124 MB）和待处理快照的存储需求。
- ECS 长度： 更长的 ECS 窗口（16 ms 对比 4 ms）提高了在噪声下的鲁棒性，但也增加了处理时间（98 ms 对比 24.8 ms）和存储需求。
- 窗口位置： 不同的窗口放置位置（起始、中间、末尾）对测距偏差没有表现出系统性影响（RMSE 保持在约 11.7 m）。
噪声鲁棒性： 在加性高斯白噪声（AWGN）环境下，检测概率在较低的 C/N0 值下显著下降（例如，35 dB-Hz 时无法接受任何记录），但在所有测试配置中，错误密钥的误报概率始终为 0，证明了接收机具备“失效闭锁”（fail closed）的安全能力。

意义
论文声称 GalSAS-SDR-SIM 为研究界提供了一个实用、可重复且可扩展的工具。通过遵循公开可用的官方规范，它允许在伽利略 SAS 正式投入运行前，进行 SAS 能力接收机的早期开发并促进信号认证技术的评估。该平台能够对不同的接收机策略进行受控对比，并支持在不依赖有限的现实世界信号活动的情况下进行安全性分析。作者明确指出，该平台并非最终运行服务的官方实现，而是作为原型设计和协议探索的研究工具。

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