Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật máy tính với tiêu đề "Detect and localize interference sources for Global Navigation Satellite Systems" (Phát hiện và định vị các nguồn can nhiễu cho các hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu) do nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Hiên thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS. Lã Thế Vinh và GS. Fabio Dovis (Politecnico di Torino), hoàn thành vào tháng 4 năm 2022 (Mã số chuyên ngành: 9480106). Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình học bổng Thạc sĩ/Tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF) thuộc Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VINBIGDATA).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu (GNSS) đóng vai trò nền tảng trong các ứng dụng dân sự yêu cầu độ chính xác và an toàn cao như theo dõi phương tiện, máy bay không người lái, nông nghiệp chính xác, giao dịch tài chính và lưới điện thông minh. Tuy nhiên, công suất tín hiệu GNSS truyền đến bề mặt Trái Đất rất thấp (mức công suất tín hiệu trong không gian SIS của GPS L1 C/A khoảng -158.5 dBW, Galileo E1 khoảng -157 dBW), cấu trúc tín hiệu dân sự lại được công khai hoàn toàn. Do đó, hệ thống rất dễ bị tổn thương trước các can nhiễu tần số vô tuyến (RFI), bao gồm can nhiễu vô tình và can nhiễu cố ý.

Trong số các dạng can nhiễu cố ý, tấn công giả mạo (spoofing) là mối đe dọa nguy hiểm nhất do máy thu bị đánh lừa bám vết các tín hiệu giả mà không nhận biết được, dẫn đến việc tính toán sai lệch thông tin vị trí, vận tốc và thời gian (PVT). Các kỹ thuật phát hiện can nhiễu giả mạo dựa trên góc tới (Angle of Arrival - AoA) được đánh giá là hướng tiếp cận hiệu quả vì tín hiệu vệ tinh thực đến từ nhiều hướng phân tán trên bầu trời, trong khi tín hiệu giả mạo từ một bộ phát thường đến từ một hướng duy nhất.

Khoảng trống nghiên cứu then chốt mà luận án chỉ ra là:

  1. Phương pháp phát hiện dựa trên Tổng bình phương vi phân pha sóng mang (Sum of Squares - SoS detector) hiện hữu chỉ giả định trường hợp cực đoan: máy thu bám vết toàn bộ tín hiệu thực hoặc toàn bộ tín hiệu giả. Thuật toán này thất bại trong kịch bản thực tế khi máy thu rơi vào trạng thái "bám vết hỗn hợp" (mixed tracking), tức là bám đồng thời một tập con tín hiệu giả mạo và một tập con tín hiệu thực.
  2. Thuật toán SoS rất nhạy cảm với hiện tượng trượt chu kỳ (cycle slips) trong đo đạc pha sóng mang, gây ra hiện tượng nhận định sai lệch trạng thái hệ thống.
  3. Thuật toán phân tán vi phân bậc hai (Dispersion of Double Differences - D3) ban đầu chưa được phân tích toàn diện về mặt lý thuyết giải tích, ngưỡng quyết định trước đây chỉ được thiết lập theo kinh nghiệm thực nghiệm.
  4. Khi quỹ đạo hình học của các vệ tinh thực tạo ra các giá trị vi phân pha trùng lặp hoặc cắt qua giá trị vi phân của tín hiệu giả mạo, thuật toán D3 tiêu chuẩn xuất hiện các điểm báo động giả (False Alarm) hoặc bỏ sót phát hiện (Missed Detection).
  5. Trong các kịch bản tấn công giả mạo tinh vi (sophisticated) hoặc đa hướng, các kỹ thuật hiện có đòi hỏi cấu hình phần cứng phức tạp, chi phí cao hoặc cần tinh chỉnh tham số thủ công. Đồng thời, các bộ tạo tín hiệu GNSS thương mại thường chỉ phát tín hiệu đơn hướng hoặc yêu cầu chi phí bản quyền rất lớn cho tính năng đa hướng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Phát triển phương pháp phát hiện giả mạo GNSS dựa trên góc tới (AoA) sử dụng cấu hình ăng-ten kép (dual-antenna) và máy thu thương mại không cần đồng bộ đồng hồ, có khả năng phát hiện tập con tín hiệu giả mạo trong điều kiện bám vết hỗn hợp (mixed tracking).
  2. Xây dựng mô hình toán học giải tích chặt chẽ để xác định ngưỡng quyết định theo xác suất phát hiện trượt mục tiêu và tỷ số $C/N_0$, đồng thời tích hợp cơ chế giám sát trượt chu kỳ và lấy trung bình thời gian để nâng cao độ ổn định.
  3. Cải tiến thuật toán D3 bằng mô hình hồi quy tuyến tính (LR-D3) dựa trên các tham số độ dốc và hệ số chặn để triệt tiêu các báo động giả khi quỹ đạo vi phân giao cắt.
  4. Đề xuất phương pháp phân loại tín hiệu thực/giả tự động dựa trên mô hình hỗn hợp Gauss (GMM) kết hợp thuật toán Kỳ vọng - Cực đại hóa (EM) cho kịch bản giả mạo tinh vi, cùng phương pháp sinh dữ liệu mô phỏng tín hiệu GNSS đa hướng dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu GNSS dân dụng (tập trung vào cấu trúc tín hiệu GPS L1 C/A tần số 1575.42 MHz), các phép đo pha sóng mang vi phân bậc hai (Double Difference - DD), các đặc trưng thống kê của góc tới tín hiệu (AoA), và các dạng tấn công giả mạo (simplistic, intermediate, sophisticated).
  • Phạm vi không gian và phần cứng: Cấu hình ăng-ten kép với khoảng cách baseline cố định khoảng 2 mét (và cấu hình zero-baseline qua bộ chia công suất để hiệu chuẩn tạp âm); các mô-đun máy thu thương mại Septentrio AsteRx4 OEM; nền tảng vô tuyến phần mềm (SDR).
  • Phạm vi dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng tạo bởi máy phát tín hiệu phần cứng và nền tảng SDR kết hợp thông tin quỹ đạo vệ tinh thực (Ephemeris, Almanac) từ IGS; dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (in-lab) ở chế độ tĩnh và chế độ động theo các quỹ đạo bay mô phỏng (TRJ1, TRJ2).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tiến hành hệ thống hóa và phân loại các kỹ thuật chống giả mạo GNSS trong y văn thành 3 nhóm tiếp cận chính:

                               Các phương pháp chống giả mạo GNSS
   Phòng thủ mật mã                  Xác thực ngoại vi                 Đặc trưng tín hiệu
  (Cryptographic Defenses)         (External Verification)             (Signal Features)
   - Xác thực bản tin NMA           - Hệ thống quán tính IMU           - Giám sát AGC / ADC
   - Mã hóa mã định tầm             - Tích hợp eLORAN                  - Tương quan biên độ
   - Mã hóa P-code, PRS             - Định vị Wi-Fi, GSM/UMTS          - Vestigial Signal Defense
                                                                       - Kiểm định Chi-bình phương (GoF)
                                                                       - Góc tới (AoA) & Pha vi phân

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong luận án

  1. Nhóm kỹ thuật phòng thủ mật mã (Cryptographic defenses): Dựa trên việc mã hóa mã định tầm (spreading code encryption) hoặc xác thực bản tin đạo hàng (Navigation Message Authentication - NMA). Hướng tiếp cận này có hiệu quả cao nhưng bắt buộc cấu trúc tín hiệu từ vệ tinh phải hỗ trợ tính năng mật mã, không áp dụng được cho các tín hiệu mở truyền thống [17].
  2. Nhóm xác thực ngoại vi (External verification): So sánh dữ liệu vị trí - vận tốc - thời gian (PVT) của GNSS với các nguồn định vị độc lập như khối đo lường quán tính (IMU), hệ thống eLORAN, mạng di động (GSM/UMTS) hoặc Wi-Fi [13]. Nhược điểm là làm tăng kích thước, trọng lượng, chi phí phần cứng và phụ thuộc vào hạ tầng bên ngoài.
  3. Nhóm dựa trên đặc trưng tín hiệu (Signal features):
    • Vestigial Signal Defense (VSD): Giám sát sự méo dạng của hàm tương quan phức để phát hiện thành phần tín hiệu thực còn sót lại khi bị giả mạo [11]. VSD là giải pháp phần mềm độc lập nhưng khó triển khai trực tiếp trên máy thu thương mại và dễ bị ảnh hưởng bởi đa đường (multipath).
    • Tương quan biên độ và hiệu ứng Doppler: Sử dụng ăng-ten chuyển động để phân biệt chữ ký không gian giữa tín hiệu thực và tín hiệu giả mạo [70]. Phương pháp này yêu cầu chuyển động cơ học của ăng-ten, gây phức tạp khi tích hợp.
    • Kiểm định thống kê Chi-bình phương độ trùng khớp (Goodness of Fit - GoF): Phân tích sai phân tương quan từng cặp vệ tinh trong miền thời gian - tần số [9]. Phương pháp có độ phức tạp tính toán cao và chỉ hoạt động trên các máy thu phần mềm chuyên dụng.
    • Giám sát độ lợi điều khiển khuếch đại tự động (AGC): Giám sát sự thay đổi mức công suất đầu vào RF [29]. Kỹ thuật này có độ phức tạp thấp nhưng khó phân biệt giữa can nhiễu giả mạo, can nhiễu vô tình và sự thay đổi của môi trường truyền sóng.
    • Phương pháp góc tới (Angle of Arrival - AoA) và thuật toán Tổng bình phương (Sum of Squares - SoS): Nghiên cứu của Borio và Falletti [10], [16], [17] đề xuất thuật toán SoS dựa trên vi phân pha sóng mang giữa 2 ăng-ten. Phương pháp này mô hình hóa số nguyên không xác định (integer ambiguities) thành các biến ngẫu nhiên rời rạc và áp dụng kiểm định tỷ số hợp lý tổng quát (GLRT), loại bỏ yêu cầu giải bài toán mập mờ pha phức tạp.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu thuộc nhóm xử lý không gian dựa trên góc tới (AoA) sử dụng cấu hình ăng-ten kép. Luận án khắc phục trực tiếp các giới hạn của thuật toán SoS và D3 sơ khai bằng cách:

  • Mở rộng mô hình toán học để phát hiện chính xác tập con tín hiệu giả mạo khi bị tấn công giả mạo trung gian dẫn đến hiện tượng bám vết hỗn hợp ($S \cup A$).
  • Bổ sung bộ giám sát dịch chuyển Doppler (Doppler shift monitor) để loại bỏ tác động của trượt chu kỳ.
  • Xây dựng cơ sở lý thuyết toán học hoàn chỉnh cho phân bố thống kê của hàm đo D3, thiết lập công thức tính ngưỡng theo $P_{md}$ lý thuyết và tỷ số $C/N_0$.
  • Đề xuất thuật toán LR-D3 loại bỏ hoàn toàn hiện tượng báo động giả do giao cắt hình học.
  • Đề xuất mô hình GMM-EM tự động hóa quá trình phân loại tín hiệu trong kịch bản tấn công tinh vi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích toán học

1. Mô hình đo pha sóng mang và vi phân

Mô hình pha sóng mang thu được tại một máy thu độc lập cho vệ tinh thứ $i$ (đo bằng mét) được biểu diễn theo công thức: $$\phi_i = r_i + N_i \lambda + c (\delta t_i - \delta T) - \varepsilon_{I,i} + \varepsilon_{T,i} + \varepsilon_i$$ Trong đó: $r_i$ là khoảng cách hình học; $N_i$ là số nguyên mập mờ pha; $\lambda$ là bước sóng tín hiệu; $c$ là tốc độ ánh sáng; $\delta t_i$ và $\delta T$ lần lượt là sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu; $\varepsilon_{I,i}$ và $\varepsilon_{T,i}$ là sai số tầng điện ly và đối lưu; $\varepsilon_i$ là tạp âm đo lường và đa đường.

Khi sử dụng hai máy thu (1) và (2) quan sát cùng một vệ tinh trên khoảng cách baseline ngắn ($D \approx 2\text{ m}$), các sai số khí quyển bị triệt tiêu. Phép đo vi phân đơn (Single Difference - SD) loại bỏ sai số đồng hồ vệ tinh: $$\Delta\phi_i = \phi_i^{(1)} - \phi_i^{(2)} = (r_i^{(1)} - r_i^{(2)}) + \Delta N_i \lambda + c(\delta T^{(2)} - \delta T^{(1)}) + \Delta\varepsilon_i$$ Với khoảng cách baseline ngắn: $r_i^{(1)} - r_i^{(2)} = D \cos(\alpha_i)$, trong đó $\alpha_i$ là góc tới của tín hiệu vệ tinh $i$.

Phép đo vi phân bậc hai (Double Difference - DD) được tạo lập giữa vệ tinh thứ $i$ và vệ tinh tham chiếu $r$, triệt tiêu hoàn toàn sai số đồng hồ máy thu: $$\Delta\nabla\varphi_i = \frac{\Delta\phi_i - \Delta\phi_r}{\lambda} = \frac{D}{\lambda} (\cos\alpha_i - \cos\alpha_r) + \Delta\nabla N_i + \Delta\nabla\varepsilon_i \quad \text{(đơn vị: chu kỳ)}$$

Phần thập phân của vi phân bậc hai (Fractional DD) được tách ra bằng toán tử làm tròn: $$\mu_i = \Delta\nabla\varphi_i - \text{round}(\Delta\nabla\varphi_i) = \frac{D}{\lambda} (\cos\alpha_i - \cos\alpha_r) + \Delta\nabla\varepsilon_i$$

2. Giả thuyết thống kê của thuật toán SoS và D3

  • Thuật toán SoS: $$\begin{cases} H_0: \cos\alpha_i - \cos\alpha_j = 0, \quad \forall(i, j) & \text{(Tất cả tín hiệu là giả mạo)} \ H_1: \exists i, j: \cos\alpha_i - \cos\alpha_j \neq 0 & \text{(Tín hiệu thực trong điều kiện danh định)} \end{cases}$$ Thống kê kiểm định SoS: $\Lambda_{\text{SoS}} = \sum_{i=1}^I \omega_i \mu_i^2$. Khi xảy ra bám vết hỗn hợp, $\Lambda_{\text{SoS}}$ tăng cao vượt ngưỡng, dẫn đến quyết định sai ($H_1$).

  • Thuật toán D3 (Dispersion of Double Differences): Chia tập vệ tinh đang bám vết thành tập giả mạo $S$ và tập thực $A$. Đối với các tín hiệu giả mạo cùng nguồn phát ($\alpha_{cnt}$): $$M_{cnt} = \frac{D}{\lambda} (\cos\alpha_{cnt} - \cos\alpha_r), \quad \forall i \in S$$ Trong khi với tín hiệu thực: $m_l = \frac{D}{\lambda} (\cos\alpha_l - \cos\alpha_r), \quad \forall l \in A$. Vùng tương đồng được định nghĩa: $\Sigma_j^o = (\mu_j - \xi_j, \mu_j + \xi_j)$.

    Giả thuyết kiểm định D3 xác định sự hiện diện của ít nhất 3 tín hiệu giả mạo: $$\begin{cases} H_0: \exists (i, j, k) \in (S \cup A) \text{ sao cho } |\mu_i - \mu_k|^2 \le \xi_k^2 \text{ và } |\mu_j - \mu_k|^2 \le \xi_k^2 \ H_1: \forall (i, j, k) \in (S \cup A) \text{ sao cho } |\mu_i - \mu_k|^2 > \xi_k^2 \text{ hoặc } |\mu_j - \mu_k|^2 > \xi_k^2 \end{cases}$$ Thống kê kiểm định D3 từng cặp: $\Lambda_{D3}(j, k) = |\mu_j - \mu_k|^2$. Biến ngẫu nhiên $\frac{\Lambda_{D3}(j, k)}{\sigma_j^2 + \sigma_k^2}$ tuân theo phân bố Chi-bình phương ($\chi^2$) với 1 bậc tự do (phân bố trung tâm dưới $H_0$ và phân bố phi trung tâm dưới $H_1$).

                      Quy trình xử lý tín hiệu của thuật toán D3
                      
   Tính ma trận kiểm định từng cặp: Λ_D3(j,k) = |μ_j - μ_k|²
   So sánh với ngưỡng động ξ_k² (Ước lượng theo C/N0 từ mô hình χ²)
   Đếm số phần tử trong vùng tương đồng Σ_j:

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ

Thành phần nghiên cứu Mô tả kỹ thuật và công cụ sử dụng
Phần cứng thu tín hiệu 02 mô-đun máy thu thương mại Septentrio AsteRx4 OEM.
Cấu hình ăng-ten 02 ăng-ten GNSS cách nhau $D \approx 2\text{ m}$; cấu hình zero-baseline dùng bộ chia công suất (power splitter).
Tín hiệu kiểm thử Tín hiệu GPS L1 C/A ($f_{L1} = 1575.42\text{ MHz}$, bước sóng $\lambda \approx 19\text{ cm}$).
Công cụ tạo tín hiệu Máy phát tín hiệu phần cứng mô phỏng GNSS và nền tảng vô tuyến phần mềm SDR.
Giám sát trượt chu kỳ Doppler shift monitor so sánh Doppler đo được và Doppler dự đoán qua vi phân pha, ngưỡng lọc 10 Hz.
Giảm nhiễu thời gian Lấy trung bình trượt cửa sổ 5 giây cho dữ liệu tốc độ 1 Hz (độ trễ phát hiện 5 giây).
Môi trường tính toán MATLAB® triển khai toàn bộ thuật toán D3, LR-D3, GMM-EM.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương 1 trình bày tổng quan về tầm quan trọng của hệ thống GNSS trong các cơ sở hạ tầng trọng yếu và phân tích các nguy cơ khi bị tấn công can nhiễu RFI. Tác giả nêu rõ tính cấp thiết của việc bảo vệ máy thu trước các hình thức tấn công giả mạo tinh vi, chỉ ra động lực nghiên cứu nhằm phát triển giải pháp phát hiện giả mạo dựa trên góc tới (AoA) có chi phí thấp, không cần đồng bộ máy thu và hoạt động tốt trên thiết bị thương mại. Chương này xác định rõ bài toán nghiên cứu, phạm vi áp dụng, 3 đóng góp khoa học chính và cấu trúc 5 chương của luận án.

Chapter 2: Related Work

Chương 2 phân tích chuyên sâu về các lỗ hổng của tín hiệu GNSS dân dụng do mức công suất thu được tại mặt đất rất thấp. Tác giả phân loại can nhiễu RFI thành can nhiễu vô tình (radar, truyền hình số DVBT, thông tin di động, sóng VHF) và can nhiễu cố ý (jamming và spoofing).

Chương này phân loại các cấp độ tấn công giả mạo:

  1. Simplistic attacks: Sử dụng bộ tạo tín hiệu mô phỏng không đồng bộ với tín hiệu vệ tinh thực, phát công suất cao để ép máy thu khóa vào tín hiệu giả.
  2. Intermediate attacks: Bộ giả mạo nhận tín hiệu thực, đồng bộ vị trí, thời gian và lịch thiên văn, sau đó phát tín hiệu giả mạo có hướng tới ăng-ten mục tiêu với sự căn chỉnh pha sóng mang.
  3. Sophisticated attacks: Kẻ tấn công biết chính xác vị trí tâm pha ăng-ten máy thu ở mức centimet, đồng bộ hoàn hảo mã và pha sóng mang, có khả năng phát từ nhiều hướng để vượt qua các bộ kiểm tra góc tới đơn giản.

Tác giả khảo sát chi tiết các thuật toán phát hiện hiện có (mật mã, IMU, VSD, tương quan biên độ, AGC, GoF) và tập trung phân tích nguyên lý của phương pháp góc tới (AoA) cùng thuật toán SoS, làm rõ nguyên nhân thất bại của SoS trong điều kiện bám vết hỗn hợp (mixed tracking) và khi có trượt chu kỳ.

                  Ba cấp độ tấn công giả mạo GNSS theo y văn

Chapter 3: Intermediated GNSS Spoofing detector based on angle of arrival

Chương 3 là trọng tâm nghiên cứu về kịch bản tấn công giả mạo trung gian. Chương này trình bày chi tiết các nội dung:

  1. Mô hình toán học vi phân pha sóng mang và hạn chế của SoS: Phân tích chi tiết phương trình vi phân đơn, vi phân bậc hai và chứng minh sự sai lệch của chỉ số $\Lambda_{\text{SoS}}$ khi máy thu bám vết đồng thời 3 tín hiệu giả mạo và 5 tín hiệu thực.
  2. Thuật toán D3 (Dispersion of Double Differences): Xây dựng ma trận khoảng cách phần thập phân vi phân bậc hai giữa từng cặp kênh vệ tinh $\Lambda_{D3}(j,k) = |\mu_j - \mu_k|^2$. Định nghĩa vùng tương đồng $\Sigma_j^o$ để gom cụm các vệ tinh có cùng nguồn phát.
  3. Cơ chế giám sát trượt chu kỳ Doppler: Sử dụng sai phân pha giữa hai thời điểm liên tiếp $\phi_i(t) - \phi_i(t - T_0)$ để dự đoán tần số Doppler. Khi sai lệch giữa Doppler dự đoán và Doppler từ vòng bám vượt ngưỡng 10 Hz, phép đo vi phân tương ứng bị loại bỏ khỏi tính toán, ngăn ngừa hiện tượng tăng đột biến giá trị thống kê kiểm định.
  4. Xác định ngưỡng quyết định: Thực hiện đo đạc cấu hình zero-baseline trên các mức tỷ số $C/N_0$ khác nhau để lập bản đồ tương quan giữa $C/N_0$ và phương sai sai số đo pha $\sigma_{D3}^2$, từ đó tính toán ngưỡng quyết định $\xi_k^2$ tương ứng với xác suất phát hiện trượt mục tiêu $P_{md}$.
  5. Cải tiến bằng mô hình hồi quy tuyến tính (LR-D3): Nhận diện hạn chế của D3 khi phần thập phân vi phân bậc hai của vệ tinh thực di chuyển cắt qua giá trị của các vệ tinh giả mạo, gây ra báo động giả cục bộ. Tác giả đề xuất mô hình hồi quy tuyến tính từng đoạn (Piecewise Linear Model) để ước lượng độ dốc (slope) và hệ số chặn (intercept) của chuỗi vi phân theo thời gian: $$\mu_i(t) \approx a_i t + b_i$$ Thuật toán LR-D3 đánh giá độ phân tán của cặp tham số $(a_i, b_i)$ thay vì so sánh trực tiếp giá trị tức thời $\mu_i$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng báo động giả và bỏ sót phát hiện trong các bài thử nghiệm.

Chapter 4: Sophisticated GNSS spoofing detector based on angle of arrival

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán phát hiện giả mạo trong kịch bản tinh vi và đa hướng:

  1. Mô hình hỗn hợp Gauss (GMM) và giải thuật EM: Sử dụng phân bố GMM để mô hình hóa hàm mật độ xác suất của các giá trị vi phân bậc hai pha sóng mang (DD). Do tín hiệu thực đến từ nhiều góc tới khác nhau, các giá trị DD phân tán rộng; ngược lại, tín hiệu giả mạo từ cùng một nguồn phát chỉ dao động quanh giá trị trung bình hình học với tạp âm Gauss nhỏ. Thuật toán Kỳ vọng - Cực đại hóa (EM) được áp dụng để tự động học các trọng số thành phần, vector kỳ vọng $\boldsymbol{\mu}_k$ và ma trận hiệp phương sai $\boldsymbol{\Sigma}_k$ sau các vòng lặp hội tụ (thể hiện rõ qua 38 bước lặp của hàm log-likelihood), loại bỏ việc cài đặt ngưỡng thủ công.
  2. Phân loại tín hiệu thực và giả mạo: Ứng dụng GMM đã huấn luyện để phân nhóm chính xác các cặp vệ tinh, nhận diện chính xác các vệ tinh giả mạo ngay cả khi số lượng vệ tinh giả mạo chỉ có 1 hoặc phân bố phức tạp.
  3. Phương pháp sinh dữ liệu mô phỏng GNSS đa hướng bằng SDR: Để khắc phục hạn chế chi phí đắt đỏ của các bộ tạo tín hiệu mô phỏng phần cứng đa hướng, tác giả đề xuất giải pháp sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR). Phương pháp này can thiệp và điều khiển pha sóng mang của từng kênh vệ tinh độc lập trong phần mềm trước khi phát qua khối RF, cho phép mô phỏng chính xác góc tới (AoA) của từng tín hiệu vệ tinh từ các hướng khác nhau trong không gian.

Chapter 5: Conclusions and future works

Chương 5 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của luận án, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng vi phân pha sóng mang trên ăng-ten kép và mô hình học máy GMM để phát hiện can nhiễu giả mạo. Chương này cũng chỉ rõ các hạn chế tồn đọng và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

Luận án tự nêu 3 đóng góp khoa học chính:

  1. Đề xuất và hoàn thiện thuật toán D3 và LR-D3 cho kịch bản giả mạo trung gian:

    • Xây dựng thành công thuật toán D3 cho phép phát hiện chính xác tập con tín hiệu giả mạo trong điều kiện bám vết hỗn hợp (mixed tracking) bằng cấu hình ăng-ten kép thương mại không cần đồng bộ đồng hồ máy thu.
    • Bổ sung bộ giám sát Doppler shift monitor (ngưỡng 10 Hz) và kỹ thuật lấy trung bình cửa sổ 5s giúp vô hiệu hóa tác động của trượt chu kỳ và giảm phương sai tạp âm.
    • Đề xuất thuật toán cải tiến LR-D3 dựa trên hồi quy tuyến tính từng đoạn (độ dốc và hệ số chặn), khắc phục triệt để hiện tượng báo động giả khi quỹ đạo vi phân của vệ tinh thực giao cắt với vệ tinh giả mạo.

  2. Ứng dụng mô hình hỗn hợp Gauss (GMM) và thuật toán EM cho kịch bản giả mạo tinh vi:

    • Đề xuất phương pháp phân loại tự động tín hiệu thực và tín hiệu giả mạo dựa trên mô hình GMM áp dụng cho các điểm đo vi phân bậc hai pha sóng mang.
    • Sử dụng giải thuật EM để tự động tối ưu hóa các tham số mô hình qua việc cực đại hóa hàm log-likelihood, loại bỏ hoàn toàn yêu cầu tinh chỉnh tham số hay đặt ngưỡng thủ công.

  3. Phát triển phương pháp sinh dữ liệu mô phỏng tín hiệu GNSS đa hướng bằng SDR:

    • Xây dựng thành công quy trình và công cụ tạo dữ liệu mô phỏng tín hiệu GNSS đa hướng dựa trên công nghệ vô tuyến phần mềm SDR chi phí thấp.
    • Cung cấp phương tiện kiểm chuẩn hiệu quả cho các thuật toán phát hiện giả mạo dựa trên góc tới mà không cần đầu tư hệ thống máy phát mô phỏng đa kênh đắt tiền.

Tổng hợp số liệu và kết quả thực nghiệm quan trọng

         So sánh đặc tính kỹ thuật giữa các thuật toán phát hiện trong luận án

Các kết quả thực nghiệm được ghi nhận trong luận án:

  • Thử nghiệm kịch bản danh định và giả mạo đơn giản: Thuật toán D3 và SoS đều phân biệt rõ ràng giữa trạng thái danh định ($H_1$) và trạng thái toàn bộ tín hiệu bị giả mạo ($H_0$). Chỉ số thống kê kiểm định dưới trạng thái giả mạo thấp hơn nhiều bậc độ lớn so với trạng thái danh định.
  • Thử nghiệm bám vết hỗn hợp (Intermediate Spoofing): Khi máy thu bám vết 3 tín hiệu giả mạo và 5 tín hiệu thực (hoặc 5 tín hiệu giả mạo và 3 tín hiệu thực), thuật toán SoS bị vô hiệu hóa hoàn toàn (nhận định sai là $H_1$). Thuật toán D3 gom cụm thành công các vệ tinh giả mạo vào vùng tương đồng $\Sigma_j^o$ với độ phức tạp tính toán chỉ $O(I^2)$, hoàn toàn đáp ứng thời gian thực ở tốc độ cập nhật 1–10 Hz.
  • Hiệu năng của LR-D3 so với D3 tiêu chuẩn: Trong bài kiểm tra mô phỏng tín hiệu liên tục kéo dài 2 giờ (Table 3.13), thuật toán LR-D3 không xuất hiện bất kỳ trường hợp báo động giả ($P_{fa} = 0%$) hay bỏ sót phát hiện ($P_{md} = 0%$) nào tại các thời điểm giao cắt quỹ đạo vi phân, vượt trội so với D3 tiêu chuẩn vốn xuất hiện các xung báo động giả khi các đường $\mu_i$ cắt nhau.
  • Độ nhạy theo $C/N_0$: Hiệu năng phát hiện được kiểm chứng trên các tập dữ liệu có mức $C/N_0$ khác nhau (39 dBHz, 42 dBHz và 45 dBHz). Ngưỡng quyết định động $\xi_k^2$ tự điều chỉnh tỷ lệ nghịch với $C/N_0$, đảm bảo duy trì xác suất phát hiện trượt danh định.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Tích hợp mô-đun D3/LR-D3 vào phần mềm firmware của các máy thu thương mại OEM đa ăng-ten để tăng cường khả năng tự bảo vệ trước can nhiễu giả mạo mà không cần thay đổi phần cứng.
  • Sử dụng mô hình GMM-EM như một lớp kiểm tra thứ hai tại máy chủ giám sát hoặc trung tâm xử lý dữ liệu định vị để tự động phát hiện các hình thức tấn công giả mạo tinh vi.
  • Ứng dụng giải pháp mô phỏng đa hướng bằng SDR để xây dựng các kịch bản kiểm thử bảo mật cho thiết bị định vị trước khi đưa vào vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong luận án

  1. Khoảng cách baseline cố định: Khoảng cách giữa 2 ăng-ten trong các thử nghiệm thực tế được cố định ở mức khoảng 2 mét để đảm bảo độ nhạy góc tới và tránh tạp âm lớn khi tính vi phân. Luận án chưa tối ưu hóa cho các khoảng cách baseline siêu ngắn (dưới vài chục centimet).
  2. Hiện tượng giao cắt giá trị vi phân trong D3: Mặc dù thuật toán D3 tiêu chuẩn xử lý tốt bài toán bám vết hỗn hợp, nó vẫn có xác suất báo động giả tức thời khi giá trị $\mu_i$ của vệ tinh thực di chuyển cắt qua vùng tương đồng của các vệ tinh giả mạo (hạn chế này đã được khắc phục ở thuật toán LR-D3 nhưng đòi hỏi trễ xử lý để khớp hồi quy).
  3. Giới hạn mô phỏng kịch bản tinh vi thực địa: Do việc phát tín hiệu giả mạo đa hướng thực tế đòi hỏi đồng bộ hóa nhiều bộ phát bằng các đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao rất đắt tiền, các kiểm chứng thực nghiệm đa hướng trong luận án chủ yếu thực hiện qua mô phỏng SDR và phương pháp phát 1 vệ tinh giả mạo để lừa máy thu.
  4. Phạm vi tín hiệu: Các thuật toán trong luận án được tập trung xây dựng và đánh giá trên tín hiệu đơn tần GPS L1 C/A.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thuật toán D3, LR-D3 và GMM sang các hệ thống định vị vệ tinh khác (Galileo, GLONASS tín hiệu CDMA hiện đại, BeiDou) và hỗ trợ xử lý đa tần số (L1, L2, L5).
  • Nghiên cứu giảm khoảng cách baseline của hệ thống ăng-ten kép để có thể tích hợp gọn gàng trên các thiết bị di động nhỏ như thiết bị bay không người lái (UAV) cỡ nhỏ hoặc điện thoại thông minh.
  • Thử nghiệm và đánh giá toàn diện hiệu năng thuật toán trên các phương tiện di chuyển có độ động cao trong môi trường đô thị phức tạp chịu ảnh hưởng nặng của đa đường (multipath) và che khuất tín hiệu.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:

  1. Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa:
    • Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học vi phân pha sóng mang GNSS và phương pháp kiểm định giả thuyết thống kê (GLRT, phân bố Chi-bình phương).
    • Tham khảo cách áp dụng mô hình học máy (GMM) kết hợp giải thuật EM để giải quyết bài toán phân loại mẫu trong xử lý tín hiệu vô tuyến.
  2. Kỹ sư phát triển hệ thống định vị và nhúng (GNSS/Embedded Engineers):
    • Tài liệu tham khảo trực tiếp thuật toán D3 và LR-D3 (Chương 3) để cài đặt tính năng chống giả mạo trên các dòng máy thu thương mại OEM (như Septentrio AsteRx4) với độ phức tạp tính toán thấp $O(I^2)$ và không cần đồng bộ đồng hồ.
    • Thuật toán Doppler shift monitor (ngưỡng 10 Hz) có thể tái sử dụng trực tiếp để xử lý hiện tượng trượt chu kỳ trong các ứng dụng định vị chính xác cao (RTK/PPP).
  3. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thử nghiệm bảo mật GNSS:
    • Tham khảo phương pháp và kiến trúc sinh dữ liệu mô phỏng GNSS đa hướng bằng công nghệ SDR (Chương 4) để thiết lập phòng thí nghiệm kiểm chuẩn an toàn định vị với chi phí thấp.
  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách an ninh thông tin:
    • Cung cấp cơ sở khoa học về các cấp độ tổn thương của hệ thống GNSS dân dụng, phục vụ việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật bảo vệ các hạ tầng trọng yếu (giao thông thông minh, trạm viễn thông, lưới điện, trung tâm tài chính).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp góc tới (AoA) có thể phân biệt được tín hiệu GNSS thực và tín hiệu giả mạo?

Tín hiệu GNSS thực được truyền từ các vệ tinh phân bố trên các quỹ đạo khác nhau trên bầu trời, do đó các tín hiệu này đi tới máy thu theo các góc tới ($\alpha_i$) hoàn toàn khác nhau. Ngược lại, một trạm phát giả mạo thông thường chỉ sử dụng một ăng-ten phát chung để phát toàn bộ các kênh vệ tinh giả mạo, dẫn đến việc tất cả các tín hiệu giả mạo đều có chung một góc tới ($\alpha_{cnt}$). Khi đo vi phân bậc hai pha sóng mang giữa hai ăng-ten thu, các tín hiệu có cùng góc tới sẽ có phần thập phân vi phân ($\mu_i$) co cụm quanh một giá trị hình học chung, trong khi các tín hiệu thực sẽ có giá trị phân tán độc lập.

2. Hạn chế cốt lõi của thuật toán Tổng bình phương (SoS) mà luận án khắc phục là gì?

Thuật toán SoS dựa trên giả định rằng máy thu chỉ bám vết duy nhất một nguồn: hoặc toàn bộ tín hiệu là thực ($H_1$), hoặc toàn bộ tín hiệu là giả mạo ($H_0$). Trong thực tế, khi kẻ tấn công thực hiện giả mạo trung gian, máy thu thường rơi vào trạng thái "bám vết hỗn hợp" (mixed tracking) — tức là bám đồng thời một vài vệ tinh giả mạo và các vệ tinh thực còn lại. Lúc này, chỉ số thống kê $\Lambda_{\text{SoS}}$ sẽ bị các vệ tinh thực đẩy lên mức cao vượt ngưỡng, khiến thuật toán kết luận sai rằng hệ thống đang ở trạng thái danh định ($H_1$). Luận án khắc phục điều này bằng thuật toán D3, so sánh từng cặp vi phân để nhận diện tập con tín hiệu giả mạo.

3. Bộ giám sát trượt chu kỳ (Doppler shift monitor) hoạt động theo nguyên lý nào và sử dụng ngưỡng bao nhiêu?

Bộ giám sát trượt chu kỳ dựa trên nguyên lý: tần số Doppler có thể được dự đoán bằng hiệu số giữa hai phép đo pha sóng mang liên tiếp $\phi_i(t) - \phi_i(t - T_0)$. Giá trị Doppler dự đoán này được đem so sánh với giá trị Doppler thực tế xuất ra từ vòng bám của máy thu. Nếu độ sai lệch vượt quá ngưỡng mặc định là 10 Hz, hệ thống xác định kênh đo đó đã bị trượt chu kỳ (cycle slip) và lập tức loại bỏ phép đo $\mu_i$ tương ứng ra khỏi phép tính toán D3/SoS, ngăn ngừa việc đưa ra cảnh báo sai.

4. Thuật toán LR-D3 cải tiến thuật toán D3 tiêu chuẩn như thế nào?

Trong thuật toán D3 tiêu chuẩn, khi một vệ tinh thực di chuyển trên bầu trời, giá trị vi phân phần thập phân $\mu_i(t)$ của nó có thể tình cờ đi ngang qua và cắt giá trị $\mu$ của nhóm vệ tinh giả mạo, dẫn đến việc D3 nhận nhầm vệ tinh thực vào nhóm giả mạo và phát sinh báo động giả. Thuật toán LR-D3 khắc phục bằng cách mô hình hóa chuỗi vi phân $\mu_i(t)$ theo các đoạn thẳng tuyến tính $\mu_i(t) \approx a_i t + b_i$. Do vệ tinh thực chuyển động liên tục nên độ dốc $a_i$ của nó khác biệt rõ rệt so với độ dốc của các tín hiệu giả mạo cố định. Bằng cách kiểm tra sự phân tán đồng thời của cả độ dốc ($a_i$) và hệ số chặn ($b_i$), LR-D3 loại bỏ hoàn toàn các báo động giả tại các điểm giao cắt.

5. Thuật toán GMM kết hợp EM đóng vai trò gì trong kịch bản tấn công giả mạo tinh vi?

Trong kịch bản giả mạo tinh vi, các đặc trưng vi phân có thể phân bố phức tạp do kẻ tấn công sử dụng nhiều hướng hoặc kỹ thuật đồng bộ chính xác. Thuật toán GMM (Mô hình hỗn hợp Gauss) mô hình hóa không gian phân bố của các điểm vi phân bậc hai thành các hàm mật độ xác suất thành phần. Thuật toán Kỳ vọng - Cực đại hóa (EM) lặp qua các bước để tự động học trọng số, kỳ vọng và ma trận hiệp phương sai của từng thành phần dữ liệu dựa trên việc cực đại hóa hàm log-likelihood (hội tụ sau 38 vòng lặp trong thực nghiệm). Nhờ đó, hệ thống tự động phân loại chính xác tín hiệu thực và tín hiệu giả mạo mà không cần con người can thiệp đặt ngưỡng thủ công.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Hiên đã giải quyết thành công bài toán phát hiện và phân loại tín hiệu can nhiễu giả mạo cho máy thu GNSS dân dụng bằng phương pháp xử lý không gian góc tới (AoA) trên hệ thống ăng-ten kép thương mại không cần đồng bộ đồng hồ. Các đóng góp nổi bật bao gồm việc xây dựng thuật toán D3 và LR-D3 có khả năng phát hiện tập con tín hiệu giả mạo trong điều kiện bám vết hỗn hợp, tích hợp bộ lọc trượt chu kỳ Doppler 10 Hz và triệt tiêu báo động giả do giao cắt hình học. Đồng thời, nghiên cứu đã mở rộng ứng dụng mô hình học máy GMM-EM để tự động hóa việc phân loại tín hiệu trong kịch bản giả mạo tinh vi và đề xuất giải pháp mô phỏng tín hiệu GNSS đa hướng chi phí thấp bằng công nghệ SDR. Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp cơ sở khoa học vững chắc cho việc bảo vệ các hệ thống định vị và đồng bộ thời gian trong các hạ tầng kỹ thuật trọng yếu.