[论文解读] Semi-Assisted Signal Authentication based on Galileo ACAS

Ignacio Fernández‐Hernández, Simón Cancela+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

GNSS positioning and interference被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于预先发布的重新加密E6C信号子序列并利用OSNMA密钥事后解密的半辅助式Galileo信号认证方法。该方法可在不修改信号规划或暴露加密密钥的前提下，实现数天的接收机自主性，通过将存储的中频（IF）快照与解密后的扩频码进行事后相关性验证，实现信号认证。

ABSTRACT

A GNSS signal authentication concept named semi-assisted authentication is proposed. It is based on the re-encryption and publication of keystream sequences of some milliseconds from an already existing encrypted signal. Some seconds after the keystreams are transmitted in the signal-in-space, the signal broadcasts the key allowing to decrypt the sequences and the a-posteriori correlation at the receiver. The concept is particularized as Galileo Assisted Commercial Authentication Service, or ACAS, for Galileo E1-B, with OSNMA used for the decryption keys, and E6C, assumed to be encrypted in the near future. This work proposes the ACAS cryptographic operations and a model for signal processing and authentication verification. Semi-assisted authentication can be provided without any modification to the signal plan of an existing GNSS, without the disclosure of signal encryption keys, and for several days of receiver autonomy, depending on its storage capabilities.

研究动机与目标

• 在不修改信号规划或卫星有效载荷的前提下，实现Galileo GNSS的长期信号认证。
• 提供一种通过扩频码验证实现伪距测量认证的方法，而无需披露加密密钥。
• 通过将密钥解密和相关性计算任务卸载至预认证阶段，降低接收机复杂度。
• 确保与现有Galileo OSNMA及未来加密E6C信号的兼容性。
• 通过预先下载的重新加密码序列（RECS）实现数天的接收机自主性。

提出的方法

• 系统使用NMA派生的密码材料，对已加密的E6C信号短子序列（RECS）进行重新加密。
• RECS及其时间元数据通过地面链路预先发布至用户接收机。
• 接收机存储中频或基带信号快照，并等待OSNMA密钥发布以解密RECS为原始加密码序列（ECS）。
• 密钥发布后，接收机利用对卫星广播组时延（BGDs）、硬件偏差和电离层延迟的先验知识，将存储的E6C快照与解密后的ECS进行相关性处理。
• 通过E1与E6C伪距测量之间的一致性检查来验证认证，阈值基于先验误差方差确定。
• 该方法假设松散时间同步以防止重放攻击，利用了现有的OSNMA时间要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在对现有信号规划和密钥管理系统改动最小的前提下实现GNSS信号认证？
• RQ2 使用预先发布的重新加密码序列，接收机认证的最大可实现自主性为多少天？
• RQ3 接收机如何在无需实时访问加密密钥或持续网络连接的情况下实现伪距测量认证？
• RQ4 哪些关键信号处理参数可实现存储信号快照与解密扩频码之间的精确事后相关性？
• RQ5 如何利用E1与E6C伪距测量之间的一致性来验证信号真实性？

主要发现

• 半辅助认证可在不修改Galileo信号规划或卫星有效载荷的前提下，实现数天的接收机自主性。
• 该方法通过重新加密E6C信号子序列并预先发布，随后通过OSNMA发布密钥，实现信号认证。
• 接收机可通过将存储的中频或基带快照与解密后的RECS进行相关性处理来实现信号认证，使用如BGD和硬件偏差等先验参数。
• 通过E1与E6C伪距测量之间的一致性检查验证认证，阈值基于先验误差方差确定。
• 该方法无需披露私有加密密钥，且与现有Galileo OSNMA及未来E6C加密兼容。
• 该方法假设松散同步以防止重放攻击，而这一要求已为OSNMA所具备。