JP5400529B2 - 秘匿された暗号コードを用いた位置情報認証方法および位置情報認証システム - Google Patents

Description

本発明は衛星測位分野、空間情報分野、ナビゲーション、ロケーションベースサービス分野、暗号化セキュリティ通信分野、受信端末開発分野等における位置情報認証技術に関するものである。

従来の位置情報は屋外では主としてＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）を利用してＧＰＳ受信端末によりＧＰＳナビゲーションメッセージ信号から経度緯度情報を計算により算出していた。この場合ＧＰＳの位置情報は正確であり、信憑性に足る情報として扱われていた。しかしながら、近年ＧＰＳの信号を複製するＧＰＳリピータ、ＧＰＳの振る舞いを擬似的に生成できるＧＰＳシミュレータの開発により、悪意の行為者による位置情報の改竄、他者へのなりすましという問題が発生する危険性がある。

ここで、位置情報の確認については端末装置の位置なりすましを確実に検出することができる位置確認システム（特許文献１参照）が提案されているが、位置情報そのものの信憑性、改竄性については議論されていない。

また、ＧＰＳ等から得られた位置情報や時刻情報自体を認証するシステムの提案（特許文献２参照）はあるが、位置情報そのものの信憑性、改竄性については議論されていない。一方、「なりすまし脅威の評価−簡易ＧＰＳ民生信号なりすましの研究−」について非特許文献１で詳述されているが、ナビゲーションメッセージ（位置情報）そのものに暗号化認証を実施する技術に関しては記載されていない。

特許公開２００５−８００８４号公報 特許公開２００１−３３５３７号公報

Todd E. Humphreys "Assessing the Spoofing Threat: Development of a Portable GPS Civilian Spoofer" I0N GNSS Conference Savanna, GA, September 16-19, 2008

位置情報の認証は屋外屋内ともに必要であるが、まず屋外における位置情報の認証においては下記のようにいくつかの課題がある。

第一の課題は、ＧＰＳから受信した位置情報自体は性善説に基づき正しい位置情報であることを前提として、悪意の行為者や機関によるこれら位置情報の改竄、なりすましによる障害を未然に防止することである。

第二の課題は、ＧＰＳリピータ、シミュレータ等により改竄された位置情報と改竄されない位置情報を暗黙に自動的に識別する方法を提供することである。

第三の課題は、自然現象による影響（メッセージ信号の電離層遅延、対流圏遅延等）に関する対象地域の特徴が含まれていないデータを偽とみなす方法を提供することである。

第四の課題は、既存の全地球測位システムとローカル測位システムの現状の運用にスムーズに接続可能な信頼性のあるシステムを提供することである。

一方、屋内においての課題は一つであり、位置を計測するＲＦＩＤの絶対位置が信憑性のあるＧＰＳから入手されたことの確証を得ることである。

本発明の目的は、斯かる位置情報の信憑性の現況に鑑み、改竄防止、なりすまし対策を具備した位置情報認証方法、位置情報認証システム及び位置情報認証装置を提供することにある。また、本発明の目的は、上記位置情報認証方法、位置情報認証システム、及び位置情報認証装置を認証権限所有機関で運用することで、安心で安全な空間情報社会を提供することにある。

本発明は、全地球測位システムと、地上セグメントと宇宙セグメント及び秘匿された暗号コードを解読可能なユーザセグメントを有するローカル測位システムを用いてユーザセグメントの位置情報を決定する位置情報認証システムにおいて、
秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを含む位置情報をローカル測位システムの前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信し、秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを用いてユーザセグメントの位置情報を決定することにより、前記全地球測位システムから送信された位置情報データの信憑性を担保することを特徴とする。

また、秘匿された暗号コードを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記秘匿された暗号コードは前記地上セグメントで生成されナビゲーションメッセージの一部として前記宇宙セグメントに送信され、さらに前記宇宙セグメントからナビゲーションメッセージの一部として前記ユーザセグメントヘ送信されることを特徴とする。

また、秘匿された暗号コードを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記秘匿された暗号コードは前記ローカル測位システムのナビゲーションメッセージにおいて対ノイズ性を有する暗号コードであることを特徴とする。

また、ローカル測位システムの地上セグメントにおいて前記暗号コードの秘匿生成に暗号キーを用い、前記地上セグメントにおいて電子署名をされた暗号キーを前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信し、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信することを特徴とする。

また、ローカル測位システムの地上セグメントにおいて前記暗号コードの秘匿生成に暗号キーを用い、認証権限所有機関において電子署名をされた暗号キーを前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信し、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信することを特徴とする。

また、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信することにより、全地球測位システムリピータまたはシミュレータを含む悪意の行為者により改竄された位置情報と区別することを特徴とする。

また、送受信される位置情報に、電離層遅延または対流圏遅延を含む自然現象による影響が含まれていない位置情報データをなりすまし信号とみなすことを特徴とする。

また、暗号コードの前記ユーザセグメントヘの送信方法は既存のインターネット、携帯電話システム、無線通信システム又は既存の静止衛星の少なくとも一つを用い、さらに前記ユーザセグメントの位置情報の決定及び検証方法は、オンライン処理、一定のタイムラグを伴うリアルタイム処理又はオフライン後処理のいずれかを用いることを特徴とする。

さらに、測位信号を送信する３機以上の測位衛星を有する全地球測位システムと、地上セグメントと宇宙セグメント及び秘匿された暗号コードを解読可能なユーザセグメントを有するローカル測位システムと、秘匿された暗号コードを送信する前記地上セグメントを有し、ナビゲーションメッセージを含む位置情報データによりユーザセグメントの位置情報を認証する位置情報認証システムにおいて、
前記ローカル測位システムの地上セグメントは、暗号キーを発生する暗号キー制御部と、前記暗号キーにより暗号コードを生成し処理する暗号コード制御部と、秘匿された暗号コードを送信する暗号コード送信部と、前記ローカル測位システムを制御するプログラムを格納するプログラム格納部を有する位置情報認証システムを特徴とする。

さらに、位置情報認証システムに用いられる、秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部を有する地上セグメントは、暗号キー発生部と、暗号コード生成部と、暗号コード処理部とを有することを特徴とする。

さらに、位置情報認証システムに用いられる、暗号コード解読部を有する認証受信端末を備えたユーザセグメントは、一般のＧＮＳＳ受信端末と、暗号キー複合部及び暗号コード解読部を有する認証受信端末を有することを特徴とする。

本発明は、全地球測位システムと、地上セグメントと宇宙セグメント及び秘匿された暗号コードを解読可能なユーザセグメントを有するローカル測位システムを用いてユーザセグメントの位置情報を決定する位置情報認証システムにおいて、秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを含む位置情報をローカル測位システムの前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信し、秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを用いてユーザセグメントの位置情報を決定することにより、全地球測位システムから送信された位置情報データの信憑性を担保して、改竄防止、なりすまし対策を具備した、安全で信頼性の高い位置情報認証方法およびシステムを提供する事が出来る。

本発明位置情報認証システムの基本構成を示す模式図である。 本発明位置情報認証システムの暗号生成装置を示すシステムブロック図である。 従来例のナビゲーションメッセージのフォーマットを示す説明図である。 本発明のナビゲーションメッセージのフォーマットを示す説明図である。 本発明の暗号キー及び暗号コード生成アルゴリズムのフローチャートである。 本発明位置情報認証システムの暗号キー送付方法を示すシステムブロック図である。 本発明の暗号キー及び暗号コード認証アルゴリズムのフローチャートである。 本発明の暗号キーを位置認証受信端末に送付した際の説明図である。 本発明の認証データベースの説明図である。 本発明の自然現象を活用した成りすまし信号対策を示す模式図である。 本発明の管理運用システム及び方法を示す模式図である。

始めに、本発明の第一の課題である位置情報の信憑性を実現する実施の形態について、課題を解決する実施例について詳述する。

〔位置測位計算〕
実施例１の秘匿された暗号コードの送受信について図１を用いて説明する。３機以上のＧＰＳ衛星群１０のうち、ＧＰＳ衛星１１１、１１２、１１３から、位置情報データを構成する各々測位情報の加味されたナビゲーションメッセージ１１、１２もしくは１３が、ローカル測位衛星システムのユーザセグメント３の暗号コード解読部付きの認証受信端末３０で受信される。認証受信端末３０における位置測位計算は少なくとも４機以上の衛星からの位置情報が必要である。

４機目の衛星としてローカル測位衛星１００が用いられる。ローカル測位衛星システムは例えば、準天頂衛星システム（Ｑｕａｓｉ−Ｚｅｎｉｔｈ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ：以下ＱＺＳＳと称す）もしくは静止衛星を経由して補強情報を提供するサテライトベース補強システムを実現する運輸多目的衛星用航法補強システム（ＭＴＳＡＴ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ‐ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ：以下ＭＳＡＳと称す）が考えられる。本発明の測位ローカル衛星システムは、ＱＺＳＳ、ＭＳＡＳのいずれか、もしくは同等の機能を有するものであればいずれでも利用可能である。

ローカル測位衛星システムの宇宙セグメント１から送信されるナビゲーションメッセージ２１はＧＰＳナビゲーメッセージ１１、１２もしくは１３と同内容とする。

ローカル測位衛星システムの地上セグメント２が有する秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０は、ローカル測位衛星暗号コード制御部２００と、暗号コード受信部２１０と、暗号コード送信部２２０と、暗号キー制御部２３０と、暗号コード生成部２４０と、暗号コード処理部２５０と、暗号キー前処理部２６０と、アンテナ部２７０から構成される。
〔秘匿された暗号コード〕
ここで、ナビゲーションメッセージ２１に対し、秘匿された暗号コードを付加したナビゲーションメッセージを２２とする。暗号コードを秘匿する手段は、たとえば地上セグメント２の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０の暗号コード受信部２１０にデータ入力されたナビゲーションメッセージを、暗号コード制御部２００で暗号コード処理を施す事で可能となる。

暗号コード制御部２００で秘匿された暗号コードを付加したナビゲーションメッセージ２２は、暗号コード送信部２２０でＧＰＳ信号に加工されて、秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ２２としてアンテナ部２７０から宇宙セグメント１へアップリンクされる。
〔ナビゲーションメッセージの認証〕
ローカル測位衛星システムのユーザセグメント３は認証受信端末３０を有し、さらに認証受信端末３０は一般のＧＮＳＳ受信端末３１と、本発明の暗号コード解読部３１０で構成される。ＧＮＳＳ受信端末３１において、ＧＰＳナビゲーションメッセージ１１、１２、１３およびローカル測位衛星システムの宇宙セグメント１から送信されるナビゲーションメッセージ２１によって測位計算を実行する。これは一般の測位計算である。

一方暗号コード解読部３１０において、秘匿された暗号コードを付加したナビゲーションメッセージ２２は解読された認証付きナビゲーションメッセージ２３になる。ＧＰＳナビゲーションメッセージ１１、１２、１３、２１及び前記認証付きナビゲーションメッセージ２３によって、認証付き測位計算を認証用測位計算処理部３２０で実行する。ユーザセグメント３の暗号コード解読部３１０により、測位信号として受信された４機以上の衛星のナビゲーションメッセージが改竄されていないことが保証される。

このとき、認証受信端末３０はいわゆるＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）に対応していればよく、ＧＰＳに限らず、たとえば欧州で計画されているＧＡＬＩＬＥＯ衛星、もしくはすでにロシアで実用化済のＧＬＯＮＡＳＳ衛星等のナビゲーションメッセージを受信できる受信端末であつても構わない。ここでは一実施例としてＧＰＳについて言及する。
〔暗号キーの発生〕
次に、秘匿生成に用いる暗号キーと、暗号キーとして時間的に変化する値を採用する場合の構成について図２を用いて説明する。

暗号コードの秘匿生成に用いるキーとして、例えば秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０のクロック２０１を利用することも可能である。クロック２０１はその装置固有のクロックであり、サンプリングしたある時刻は他の時刻とは異なり唯一無二の値が得られる。

今仮にサンプリングした時刻をｔ２００１と仮定する。時刻ｔ２００１を暗号コード制御部２００内の暗号キー制御部２３０の暗号キー発生部２３１に入力し、所定のロジックを利用してユニークな整数（以下ＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅと呼ぶ）を発生させる。所定のロジックの一実施例として科学技術計算で広く利用されている数学関数を活用することも可能である。その他のＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅ発生ソースとして確率論に基ついた乱数を発生する事も可能である。いずれにせよ、ＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅとして唯一無二な整数値を不規則に発生させる事が肝要であり、その手段は上記手段に拘らない。

発生させたＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅを使つて、暗号コード生成部２４０のランダムマトリクス計算部２４１においてＮ×Ｍの行列計算を行う。その後暗号コード生成部２４０のＨ-マトリクス計算部２４２において入力Ｎビット出力ビットＭビットのＨ-マトリクスを生成する。一般にナビゲーションメッセージ２１は要件仕様書ＩＣＤ-ＧＰＳ-２００ｖｅｒ．Ｄに定義されている。ここでは、全地球測位システム（ＧＰＳ）の要件仕様書ＩＣＤ-ＧＰＳ-２００ｖｅｒ．Ｄから、Ｎ＝９０、Ｍ＝１８０とする。

ここで、ナビゲーションメッセージ２１のフォーマットと今回提案するナビゲーションメッセージ２２のフォーマットの一例を、図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは従来のフォーマット、図３Ｂは本発明のフォーマットである。

図３Ａ、図３Ｂにおいて、１ナビゲーションメッセージは５フレームで構成され、１フレームは５サブフレームで構成され、１サブフレームは複数のワードで構成されている。ここでは、サブフレーム１の先頭６ワードについて詳述する。先頭６ワードをそれぞれワード１（Ｗ１）２１０１、ワード２（Ｗ２）２１０２、ワード３（Ｗ３）２１０３、ワード４（Ｗ４）２１０４、ワード５（Ｗ５）２１０５、ワード６（Ｗ１）２１０６とする。各ワードは３０ビットで構成される。先頭３ワードのワード１（Ｗ１）〜ワード３（Ｗ３）には有効な情報ビットが入つている。一方残り３ワードのワード４（Ｗ４）〜ワード６（Ｗ６）はリザーブビットである。
〔秘匿された暗号コードの生成〕
本発明の目的である秘匿された暗号コードの生成は、ナビゲーションメッセージ２１の１サブフレーム内の先頭３ワード分の９０ビットにＬＤＰＣ符号化を施す。ＬＤＰＣはＬｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐａｒｉｔｙ Ｃｈｅｃｋの略で、誤り訂正ブロック符号に属し疎グラフ符号に分類される低密度パリティ検査符号である。特徴はデータの欠けに対する再現性とパリティエラー強度に強く、情報伝送レートの理論上の限界値であるシャノン限界に極めて近いレートを達成した最初の誤り訂正符号であり、デジタルテレビの衛星通信、無線規格のＷｉＭＡＸ等に既に利用されている信頼性の高い誤り訂正符号である。

図３Ｂにおいて、入力のナビゲーションメッセージ２１の先頭３ワード分ワード１（Ｗ１）２１０１〜ワード３（Ｗ３）２１０３に暗号コード制御部２００でＬＤＰＣ符号化を施し、出力のナビゲーションメッセージ２２の６ワード分ワード１（Ｗ１）２２０１〜ワード６（Ｗ６）２２０６を得る。この時、出力されたナビゲーションメッセージ２２は秘匿された暗号コードであるが、ＬＤＰＣ符号化の特性からワード２１０１とワード２２０１はビット配列が不変であるとの特徴がある。つまり、符号化の前後で同一性が保たれる。このことはワード２１０２とワード２２０２、ワード２１０３とワード２２０３にも適用できる。

再び図２において、暗号コード受信部２１０の入カデータであるマスターコントロール局で生成されたナビゲーションメッセージ２１からそのナビゲーションメッセージ先頭の１フレームの９０ビットを、ローカル測位衛星の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０内の暗号コード制御部２００内の暗号コード処理部２５０に入力する。

ここで入力されたナビゲーションメッセージ先頭の１フレームの９０ビットを、暗号コード処理部２５０の暗号コード埋め込み部２５１でＬＤＰＣ符合化埋め込み処理を実施すると同時に、対ノイズ性補強部２５２でパリティ計算を実施して９０ビットのパリティビットを生成する。

ＬＤＰＣ符合化埋め込み処理は暗号コード埋め込み部２５１のプログラム格納部２５３に格納されたアルゴリズムプログラムにより行われる。同様にパリティ計算処理は対ノイズ性補強部２５２のプログラム格納部２５４に格納されたアルゴリズムプログラムにより行われる。

以上の処理により生成された前記ナビゲーションメッセージ先頭の１フレームの９０ビットが秘匿された暗号コードとなり、続く９０ビットがパリティビットとなる。秘匿された暗号コード９０ビットと続く９０ビットのパリティビットは暗号コード送信部２２０内の送信処理部２２１に送られる。送信処理部２２１では秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションコード２２をローカル測位システムのアンテナ部２７０からローカル測位システムの宇宙セグメント１に送信する。
〔暗号キーの送信〕
一方、暗号キー制御部２３０内の暗号キー発生部２３１で発生させた暗号キー２０２を暗号キー前処理部２６０に送る。暗号キー前処理部２６０は暗号キーのカプセル化手段２６１とカプセル化され保護された暗号キー２０３の送信手段２６２から構成される。

ここで、図４のフローチャートを用いて、秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０に関し、本発明の暗号コードと暗号キーを生成するアルゴリズムの一例について詳述する。

はじめにローカル測位衛星の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０はステップＳ２でＧＰＳ信号を受信し、ステップＳ３で認証の判断をする。認証する場合はステップＳ４でナビゲーションメッセージ２１を受信する。ステップ５でＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅを受け取り、ステップＳ６でナビゲーションメッセージ２１の暗号コード化を開始する。ステップＳ７でＨ-マトリクスを生成する。次いでステップＳ８でＬＤＰＣ符号化を演算し、ステップＳ９でパリティチェックを演算する。ステップＳ１０でナビゲーションメッセージ２２を宇宙セグメント１ヘアップリンクする。ステップＳｌｌでＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅの送信の完了可否を判断する。完了であればステップＳ１２で終了する。

もし送信が未完であれば、ステップＳ１３でＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅを符号化し、ステップ１４で通信手段を選択し、ステップ１５で認証用データベースにアクセスする。
〔認証受信端末での位置認証〕
最後に、図５のシステムブロック図を用いて、秘匿された暗号コードを認証受信端末３０で解読する時に、暗号キーを電子署名で送付された認証受信端末のみが位置認証される構成について、詳述する。

ここでのカプセル化とは、ＶＰＮ通信におけるＩＰｓｅｃ、ＳＬ通信、公開鍵もしくは衛星の補強信号による暗号化を可能にするために、暗号キー２０２にヘッダー等を施して認証権限所有機関４０へ伝達する処理を想定している。カプセル化された暗号キー２０３を認証受信端末３０が受け取る際の通信媒体としては、インターネット５１１、既存の携帯電話ネットワーク５１２、既存の無線ＬＡＮ５１３、既存の静止衛星５１４を用いることが出来る。

各々の通信媒体の特性に応じて、ＩＰｓｅｃ、ＳＳＬ通信、公開鍵、補強信号による暗号化のいずれが適しているかは技術面、コスト面、運用面から検討される。カプセル化された暗号キー２０２を確実、安全に認証受信端末３０に送る観点から有効な複数の案について説明する。

ＩＰｓｅｃ、ＳＳＬ通信、公開鍵もしくは衛星の補強信号による暗号化を例に掲げる。カプセル化された暗号キー２０３は認証権限所有機関４０内の通信手段分配機能部４１０に入力される。通信手段分配機能部４１０は電子署名の手段に応じて暗号キー暗号化部４３０に暗号キー２０３を割り振る。暗号キー２０３は、例えば暗号キー暗号化部４３０のＩＰｓｅｃ暗号部４３１、ＳＳＬ通信暗号部４３２、公開鍵による暗号部４３３、もしくは衛星の補強信号による暗号部４３４に割り振られる。このとき参照するデータベースは認証用データベース４２０である。

割り振られた通信手段によつて暗号キー暗号化部４３０は通信媒体５０内の該当するネットワークと一意に接続する。すなわちＩＰｓｅｃ暗号部４３１はインターネットＶＰＮ接続５１１を経由して認証受信端末３０内の暗号キー復号化部３３０のＩＰｓｅｃ復号部３３１に接続する。以下同様にＳＳＬ通信暗号部４３２は携帯電話ネットワーク５１２を経由して認証受信端末３０内の暗号キー復号化部３３０のＳＳＬ通信復号部３３２に接続する。公開鍵による暗号部４３３は無線ＬＡＮネットワーク５１３を経由して暗号キー復号化部３３０の公開鍵による復号部３３３に接続する。衛星による暗号部４３４は衛星機能のネットワーク５１４を経由して暗号キー復号化部３３０の衛星の復号部３３４に接続する。

ここで、代表例としてＩＰｓｅｃによる暗号化、通信、復号化、測位計算結果と一般のＧＮＳＳ受信端末３１による測位計算結果について詳述する。認証受信端末３０内の暗号キー復号化部３３０において、ＩＰｓｅｃ復号部３３１から出力された復号された暗号キー３００を暗号コード解読部３１０に入力する。

暗号コード解読部３１０では秘匿された暗号コードコード付きナビゲーションメッセージ２２を入カデータとして暗号キー３００を使つて解読処理を実施し、認証付きナビゲーションコードメッセージである解読データ２３が出力される。

解読データ２３とＧＰＳ衛星１１１によるナビゲーションメッセージ１１、ＧＰＳ衛星１１２によるナビゲーションメッセージ１２、ＧＰＳ衛星１１３によるナビゲーションメッセージ１３により認証用測位計算処理部３２０で緯度経度高度を計算して、認証された測位結果出力３０２が算出される。

一方、一般のＧＮＳＳ受信端末３１は暗号コード解読機能が存在しないため、秘匿された暗号コード付きのナビゲーションメッセージ２２を位置認証の保障がない一般のＧＰＳ信号と見倣す。一般のＧＮＳＳ受信端末３１は一般のＧＰＳ信号と見倣されたナビゲーションメッセージ２２とＧＰＳ衛星１１１によるナビゲーションメッセージ１１、ＧＰＳ衛星１１２によるナビゲーションメッセージ１２、ＧＰＳ衛星１１３によるナビゲーションメッセージ１３により測位計算処理部３４０で緯度経度高度を計算する。しかし出力された測位結果は一般の測位結果出力３０１であり、位置情報が認証されていない不確かな測位結果である。
〔暗号キー・暗号コード生成アルゴリズム〕
ここで、図６のフローチャートを用いて、図５の認証受信端末３０の動作に関し本発明の暗号キー及び暗号コードを認証するアルゴリズムの一例について詳述する。

本認証アルゴリズムは、基本的に図４で詳述した暗号キー及び暗号コードの生成アルゴリズムと可逆である。はじめに、認証受信端末３０はステップＳ２１でＧＰＳ信号を受信し、ステップＳ２２で認証の判断をする。認証する場合はステップＳ２３でナビゲーションメッセージ２２を受信する。認証せずに一般のＧＮＳＳ受信端末３１で測位計算する場合は後述するステップＳ３１へ進む。

ステップＳ２４で、ステップＳ２５で復号化されたＳＥＥＤ Ｖａｌｕｅを受け取る。ステップＳ２６でＨ-マトリクスを生成する。ステップＳ２７でＬＤＰＣ符号化を演算する。ステップＳ２８でパリティチェックを演算する。ステップＳ２９で解読されたナビゲーションメッセージ２３を得る。ステップＳ３０で解読されたナビゲーションメッセージ２３とナビゲーションメッセージ２２のＷ４、５、６が一致すれば、ステップＳ３１に進む。一致しなければ、ステップＳ３６に戻つてＨ-マトリクスを再度生成する。

ステップＳ３１で測位計算を行うかどうか判断し、測位計算が必要なければステップＳ３５で終了する。測位計算を実施する場合はステップＳ３２で他のＧＰＳ信号１１、１２、１３、１４を受信し、ステップＳ３３で受信信号が４衛星からの信号であればステップＳ３４で測位計算を実施する。４衛星に満たない場合はステップＳ３２に戻り衛星数を４衛星以上とする。
〔暗号キーの送付ステップ〕
ここで、図７の説明図を用いて、本発明の暗号キーを各種の電子署名で位置認証受信端末に送付するプロセスの時系列変化の一例を詳述する。本時系列変化のフローにより、ＧＰＳから送信された位置情報データの信憑性を担保する構成を明らかにする。
（１）地上セグメント２の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０内の前記暗号キー前処理部２６０において、暗号キー２０３を生成する。ステップＳ４１で秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ２２である暗号コードをアップリンクするインターバルに応じて暗号キー２０３を認証権限所有機関４０に送付する。
（２）認証権限所有機関４０内の通信手段分配部４１０において、ステップＳ４２でオンライン、ニアリアルタイム、オフライン別に通信処理手段を選択する。なぜなら、アップリンクの間隔は、現行の全地球測位システム（ＧＰＳ）および計画中のローカル測位システムにおいては４時間間隔であるため、ローカル測位衛星の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０内の暗号コード送信部２２０からアップロ―ドされる秘匿された暗号コード付きのナビゲーションメッセージ２２が、測位ローカル衛星システムの宇宙セグメント１から送信されたナビゲーションメッセージ２１に反映されるまでにタイムラグが発生する。
（３）タイムラグを最小限に抑えて、信頼性の高い位置情報認証システムとするために、認証用データベース４２０において、ステップＳ４３でアップリンク時刻を基準に暗号キー２０３の送信時刻と通信手段を記録する。
（４）暗号化手段を選択する。暗号キー暗号化部４３０において、ステップＳ４４でＩＰｓｅｃ、ＳＳＬ通信、公開鍵による暗号キー２０３の暗号化を選択する。選択する基準は利用者に利便性に従い、どの方式でも選択はできる。これまでの実績、各ネットワーク通信媒体の特性から、ＩＰｓｅｃはインターネットＶＰＮ接続、ＳＳＬ通信は携帯電話のパケット網接続、公開鍵による暗号化は無線ＬＡＮでの利用が多い傾向にある。しかし、本通信手段においては、上記に固定、誘導するものではなく、これからの技術発展、コスト面、利便性、信頼性、など多面的な選択肢があり得る。
（５）認証受信端末３０内の暗号キー復号部３３０においてステップＳ４５でＩＰｓｅｃ、ＳＳＬ通信、公開鍵による暗号キー２０３の復号化を選択する。（４）において選択した暗号化手段に対応して復号化手段を選ぶのがよい。
（６）暗号コード解読部付き認証受信端末３０内の暗号コード解読部３１０においてステップＳ４６で復号化された暗号キー３００を使つて暗号コードを解読し、認証付きナビゲーションメッセージを生成する。

以上の本時系列変化のフローにより、ＧＰＳから送信された位置情報データの信憑性を担保する構成が明確にされる。
〔認証用データベース〕
ここで、認証用データベース４２０のデータ構造の一例について、図８を用いて詳述する。図８は横軸に暗号キー２０３、装置のクロック２０１の生成時刻、暗号化手段、ネットワーク媒体５０による通信手段、およびアップリンク時刻を並べている。第一列目記載のデータをもとに詳述する。

暗号キー“９８６４３９８”は装置のクロック２０１によって生成時刻“２００９０１２９２０２３５６”から計算された。暗号化手段“ＩＰｓｅｃ”を選び、通信手段は“インターネット”である。アップリンクされた時刻は“２００９０１２９２０２４００”である。本時刻はＧＰＳで採用されているＵＴＣとすることが可能であるし、ローカル測位衛星宇宙セグメント搭載の原子時計に準拠してもよく、いずれにせよ、標準時刻として本システム内で矛盾がなければよい。ここではＵＴＣとする。

以下同様に、第二列目記載のデータでは生成時刻が“２００９０１２９１６２３４２”と第一列目のそれと異なっているが、アップリンク時刻は第一列目の“２００９０１２９２０２４００”と同一である。この理由は、先に記載のように、アップリンク間隔が４時間ごとであるため、第二列目記載のアップリンク時刻である“２００９０１２９１６２４００”が直近の時刻であり、第二列目の生成時刻はこの直近のアップリンク時刻に間に合わなかった為である。以上から解るように、アップリンクタイムラグ間隔により、電子署名された暗号キーの処理手段はオンライン、もしくは一定のタイムラグを伴うリアルタイム性、もしくはオフラインによる後処理のいずれかの処理手段を具備することとなる。

〔改竄情報の識別〕
本発明の第二の課題であるＧＰＳリピータ、シミュレータ等により改竄された位置情報と改竄されない位置情報の区別をどのような手段で行うかについて、図９を用いて詳述する。

実施例２は、受信信号をＧＰＳリピータもしくはシミュレータで再送信禁止するための構成である。つまり再送信信号とオリジナル信号の差異を暗黙に、自動的に識別する。悪意の行為者６によりＧＰＳシミュレータ６２０によって改竄された位置情報であるナビゲーションコード６２を認証受信端末３０で受信した場合、暗号解読部３１０においてナビゲーションメッセージ６２に定期的に変化する暗号コードが付加されていないため、認証受信端末３０はナビゲーションメッセージ６２を偽なる信号と判断する。

つまりＧＰＳシミュレータ６２０によって送信された悪意の意図をもつて改竄された位置情報であるナビゲーションメッセージ６２の信号と秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ２２のオリジナル信号の差異を暗黙に、自動的に認識できる。

〔自然現象による影響〕
本発明の第三の課題である自然現象による影響（電離層遅延、対流圏遅延等）による改竄の識別について再掲する図９を用いて詳述する。

実施例３は、位置の自然現象による影響（電離層遅延、対流圏遅延、等）その地域の特質が含まれていないデータを偽とみなす、なりすまし信号対策である。自然現象による遅延の代表例である電離層遅延群１１００、対流圏遅延群１２００によつて、ＧＰＳ１１１、ＧＰＳ１１２、ＧＰＳ１１３、ＧＰＳ１１４から送信されたナビゲーションメッセージ１１、１２、１３、１４は遅延を伴つたナビゲーションメッセージ１３０１、１３０２、１３０３、１３０４となる。１１と１３０１の関係は１３０１＝１１＋１１０１＋１２０１である。

ここで電離層遅延１１００、および対流圏遅延１２００とは、ＧＰＳ１１１が存在する地点における遅延成分である。以下１３０２＝１２＋１１０２＋１２０２、１３０３＝１３＋１１０３＋１２０３、１３０４＝１４＋１１０４＋１２０４と同様に記述できる。

上記遅延を伴つたナビゲーションメッセージ１３０１と遅延の発生しないナビゲーションのコード１１との関係式からその観測された地点における自然変動成分を検出することにより、その地域の自然現象が含まれていないナビゲーションメッセージ６１は、偽なるＧＰＳリピータ６１０によつて再生されたナビゲーションメッセージであることが判明する。

ＧＰＳリピータ６１０はＧＰＳ１１１から受信したナビゲーションメッセージ１１をリピートして信号６１として送信する。この場合ＧＰＳからの直接信号１２、１３とＧＰＳリピータ６１０による成りすまし信号６１と秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ２２により位置測位計算を認証受信端末３０で実施する。

本来のＧＰＳ１１１によるナビゲーションメッセージ１３０１であれば、自然現象による電離層１１０を通過したことによる１１０１〜１１０４を含む電離層遅延１１００、および対流圏１２０を通過したことによる１２０１〜１２０４を含む対流圏遅延１２００を伴っている。しかし、ＧＰＳリピータ６１０によって生成された成りすまし信号６１は自然現象であるこれらの電離層遅延１１００、対流圏遅延１２００を含まないので、両者を比較することで明らかに本来のＧＰＳ１１１から送信されたナビゲーションメッセージ１３０１でないことが判明する。

本発明の第四の課題である既存の全地球測位システム（ＧＰＳ）とローカル測位システムの現状の運用にいかにスムーズに連続的に繋がり、信頼性のあるシステムとなるかについて、図１０を用いて詳述する。

実施例４は、ＧＰＳと対象地域のローカル測位衛星のナビゲーションコードに秘匿された暗号コードを埋め込み、認証権限所有機関が位置の保障を管理運営するシステムを提案する。

ＧＰＳ衛星群１０、ローカル測位衛星システムの宇宙セグメント１から発信された信号を、ローカル測位衛星システムの地上セグメント２内の測位モニタ局７０で受信する。

測位モニタ局７０はマスタコントロール局８０へ受信信号を送信して、マスタコントロール局８０内の測位システム管制部８１、軌道時刻推定予報部８２を経由してナビゲーションメッセージ生成部８３において、ナビゲーションメッセージ等を付加し、追跡管制局９０から宇宙セグメント１から送信されたナビゲーションメッセージ２１を測位ローカル衛星システムの宇宙セグメント１に送信する。この時、秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージを追跡管制局９０内のローカル測位衛星の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０で生成してローカル測位衛星システムの宇宙セグメント１ヘアップリンクする。

また、図１０はローカル測位衛星システムの地上セグメント２内に位置情報の認証権限所有機関４０を具備した例を示している。認証権限所有機関４０は必ずしも測位ローカル衛星システムの地上セグメント２内に存在する必要はない。

暗号キー２０２は前記ローカル測位衛星の秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部２０で定期的に生成され、認証権限所有機関４０において暗号化された暗号キー４００となり、通信媒体５０を経由してローカル測位衛星システムのユーザセグメント３内の暗号コード解読部付き認証受信端末３０において、復号化された暗号キー３００となり、秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ２２を復号することで送信された信号の信憑性が担保される。

１…ローカル測位衛星システムの字宙セグメント、１０…ＧＮＳＳ衛星群、１１…ＧＰＳ衛星１１１によるナビゲーションメッセージ、１２…ＧＰＳ衛星１１２によるナビゲーションメッセージ、１３…ＧＰＳ衛星１１３によるナビゲーションメッセージ、１４…ＧＰＳ衛星１１４によるナビゲーションメッセージ、１００…ローカル測位衛星、１１０…電離層、１２０…対流圏、１１００…電離層遅延群、１２００…対流圏遅延群、１３０１〜１３０４…自然現象による遅延を伴ったＧＰＳ衛星によるナビゲーションメッセージ、
２…ローカル測位衛星システムの地上セグメント、２０…秘匿された暗号コード及び暗号キー発生部、２１…宇宙セグメントから送信されたナビゲーションメッセージ、２２…秘匿された暗号コードとパリティビットを付加したナビゲーションメッセージ、２３…解読データ、２００…暗号コード制御部、２０１…クロック、２０２…暗号キー、２０３…カプセル化された暗号キー、２１０…暗号コード受信部、２１１…暗号コード受信制御部、２２０…暗号コード送信部、２２１…暗号コード送信制御部、２３０…暗号キー制御部、２３１…暗号キー発生部、２４０…暗号コード生成部、２４１…ランダムマトリクス計算部、２４２…Ｈ―マトリクス計算部、２５０…暗号コード処理部、２５１…暗号コード埋め込み部、２５２…対ノイズ性補強部、２５３…暗号コード埋め込みプログラム格納部、２５４…対ノイズ性補強プログラム格納部、２６０…暗号キー前処理部、２６１…暗号キーのカプセル化手段、２６２…カプセル化された暗号キーの送信手段、２７０…地上セグメント２０のアンテナ部、
３…ローカル測位衛星システムのユーザセグメント、３０…暗号コード解読部付き認証受信端末、３１…一般のＧＮＳＳ受信端末、３００…復号化された暗号キー、３０１…一般の測位結果出力、３０２…認証された測位結果出力、３１０…暗号コード解読部、３２０…認証用測位計算処理部、３３０…暗号キー復号部、３３１…ＩＰｓｅｃ復号部、３３２…ＳＳＬ通信復号部、３３３…公開鍵による復号部、３３４…衛星による復号部、３４０…測位計算処理部
４０…認証権限所有機関、４００…暗号化された暗号キー、４１０…通信手段分配機能部、４２０…認証用データベース、４３０…暗号キー暗号化部、４３１…ＩＰｓｅｃ暗号部、４３２…ＳＳＬ通信暗号部、４３３…公開鍵による暗号部、４３４…衛星による暗号部、５０…通信媒体、５１１…インターネットＶＰＮ接続、５１２…携帯電話ネットワーク、５１３…無線ＬＡＮネットワーク、５１４…衛星によるネットワーク、６…悪意ある行為者、６０…擬似信号発生装置、６１…ＧＰＳシミュレータによる再送信なりすまし信号によるナビゲーションメッセージ、６２…ＧＰＳリピータによる再送信なりすまし信号によるナビゲーションメッセージ、６１０…ＧＰＳシミュレータ、６２０…ＧＰＳリピータ

Claims (15)

1. 全地球測位システムと、地上セグメントと宇宙セグメント及び秘匿された暗号コードを解読可能なユーザセグメントを有するローカル測位システムを用いてユーザセグメントの位置情報を決定する位置情報認証システムにおいて、
   秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを含む位置情報をローカル測位システムの前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信し、秘匿された暗号コードを有するナビゲーションメッセージを用いてユーザセグメントの位置情報を決定し、暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信可能として、全地球測位システムリピータまたはシミュレータを含む悪意の行為者により改竄された位置情報と区別することにより、前記全地球測位システムから送信された位置情報データの信憑性を担保することを特徴とする位置情報認証方法。
2. 請求項１に記載された位置情報認証方法において、
   秘匿された暗号コードを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記秘匿された暗号コードは前記地上セグメントで生成されナビゲーションメッセージの一部として前記宇宙セグメントに送信され、さらに前記宇宙セグメントからナビゲーションメッセージの一部として前記ユーザセグメントヘ送信されることを特徴とする位置情報認証方法。
3. 請求項１に記載された位置情報認証方法において、
   秘匿された暗号コードを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記秘匿された暗号コードは前記ローカル測位システムのナビゲーションメッセージにおいて対ノイズ性を有する暗号コードであることを特徴とする位置情報認証方法。
4. 請求項１に記載された位置情報認証方法において、
   前記ローカル測位システムの地上セグメントにおいて前記暗号コードの秘匿生成に暗号キーを用い、前記地上セグメントにおいて電子署名をされた暗号キーを前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信し、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信することを特徴とする位置情報認証方法。
5. 請求項１に記載された位置情報認証方法において、
   前記ローカル測位システムの地上セグメントにおいて前記暗号コードの秘匿生成に暗号キーを用い、認証権限所有機関において電子署名をされた暗号キーを前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信し、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読可能とするユーザセグメントのみが前記位置情報データを受信することを特徴とする位置情報認証方法。
6. 請求項４または５に記載された位置情報認証方法において、
   前記送受信される位置情報に、電離層遅延または対流圏遅延を含む自然現象による影響が含まれていない位置情報データをなりすまし信号とみなすことを特徴とする位置情報認証方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された位置情報認証方法において、
   前記暗号コードの前記ユーザセグメントヘの送信方法は既存のインターネット、携帯電話システム、無線通信システム又は、静止衛星の少なくとも一つを用い、さらに前記ユーザセグメントの位置情報の決定及び検証方法は、オンライン処理、一定のタイムラグを伴うリアルタイム処理又はオフライン後処理のいずれかを用いることを特徴とする位置情報認証方法。
8. 測位信号を送信する３機以上の測位衛星を有する全地球測位システムと、地上セグメントと宇宙セグメント及び秘匿された暗号コードを解読可能な受信端末を備えたユーザセグメントを有するローカル測位システムと、秘匿された暗号コードを送信する前記地上セグメントを有し、ナビゲーションメッセージを含む位置情報データによりユーザセグメントの位置情報を認証する位置情報認証システムにおいて、
   前記ローカル測位システムの地上セグメントは、暗号キーを発生する暗号キー制御部と、前記暗号キーにより暗号コードを生成し処理する暗号コード制御部と、秘匿された暗号コードを送信する暗号コード送信部と、前記ローカル測位システムを制御するプログラムを格納するプログラム格納部を有し、前記秘匿された暗号コードを解読可能とする前記受信端末のみが前記位置情報データを改竄されない位置情報として受信可能とすることにより、全地球測位システムリピータまたはシミュレータを含む悪意の行為者により改竄された位置情報と区別することを特徴とする位置情報認証システム。
9. 請求項８に記載された位置情報認証システムにおいて、
   秘匿された暗号コードを含むナビゲーションメッセージを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記地上セグメントの暗号コード制御部は暗号コード生成部と、前記生成された暗号コードを処理する暗号コード処理部を有し、該暗号コード処理部はさらに暗号コードをナビゲーションメッセージに埋め込むアルゴリズムを有する暗号コード埋め込み部と、該暗号コード埋め込み部を制御するプログラムを格納するプログラム格納部を有することを特徴とする位置情報認証システム。
10. 請求項９に記載された位置情報認証システムにおいて、
    秘匿された暗号コードを前記宇宙セグメントから前記ユーザセグメントに送信するに際して、前記暗号コード処理部は、前記ローカル測位システムのナビゲーションメッセージの対ノイズ性を実現するアルゴリズムを有する対ノイズ性補強部および、前記ナビゲーションメッセージの対ノイズ性を実現するプログラムを格納するプログラム格納部を有することを特徴とする位置情報認証システム。
11. 請求項８に記載された位置情報認証システムにおいて、
    前記ローカル測位システムの地上セグメントは、前記地上セグメントにおいて電子署名された前記暗号コードの秘匿生成に用いた暗号キーを、前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信する送信手段を有し、前記ユーザセグメントは、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読する暗号コード解読部を有する認証受信端末を有し、前記認証受信端末のみが前記位置情報データを受信可能とすることを特徴とする位置情報認証システム。
12. 請求項９に記載された位置情報認証システムにおいて、
    前記ローカル測位システムの地上セグメントは、認証権限所有機関において電子署名された前記暗号コードの秘匿生成に用いた暗号キーを、前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信する送信手段を有し、前記ユーザセグメントは、正当に検証された暗号キーを用いて前記秘匿された暗号コードを解読する暗号コード解読部を有する認証受信端末を有し、前記認証受信端末のみが前記位置情報データを受信可能とすることを特徴とする位置情報認証システム。
13. 請求項１１または１２に記載された位置情報認証システムにおいて、
    前記送受信される位置情報に、電離層遅延または対流圏遅延を含む自然現象による影響が含まれていない位置情報データをなりすまし信号とみなす認証受信端末を有することを特徴とする位置情報認証システム。
14. 請求項１１または１２に記載された位置情報認証システムにおいて、
    電子署名をされた前記暗号キーを前記ローカル測位システムのユーザセグメントヘ送信する通信手段は、既存のインターネット、携帯電話システム、無線通信システム又は、静止衛星の少なくとも一つを用い、さらに前記ユーザセグメントの位置情報の決定及び検証は、オンライン処理、一定のタイムラグを伴うリアルタイム処理又はオフライン後処理のいずれかを用いることを特徴とする位置情報認証システム。
15. 請求項８に記載された位置情報認証システムにおいて、前記ユーザセグメントの認証受信端末は、秘匿された前記暗号コードを復号することにより位置情報データの信憑性を担保する暗号キー復号化部を有することを特徴とする位置情報認証システム。

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