📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 13周: 🛡️ 星鏈安全：PQC × Anti-Jamming × Laser Link Security
125／150單元：Spoofing 偵測 × Doppler Profile 🎯以多普勒特徵辨識假衛星（Fake Satellite Detection）**________________________________________
🎯 單元導讀
假衛星（Fake Satellite）是 6G NTN 與星鏈未來最大的安全威脅之一。
攻擊者可嘗試模擬：
✔ 星鏈 LEO 的下行波形
✔ 星鏈的頻率與同步訊號
✔ GNSS 類似的軌道位置
✔ 甚至模擬 Starlink OFDM Pattern（偽造 Cell）
目的：
⭐ 欺騙 UE 連上「假衛星」，進而竊聽、欺騙位置或阻斷服務。
但是假衛星有一個幾乎無法偽造的物理特徵：
🌠 Doppler Profile（多普勒輪廓）
LEO 衛星以 7.4 km/s 高速移動，產生獨特的、連續變化的多普勒頻移。
假衛星在地面或空中模擬時，根本複製不了真正的 Doppler Track。
這章要講的就是：
👉 如何用多普勒特徵做「衛星真偽鑑別」。
________________________________________
🧠 一、什麼是假衛星 Spoofing？
Fake Satellite / Spoofing 手法包含：
• 模擬星鏈波束
• 偽造同步訊號
• 偽造 PRACH 回應
• 模仿 Starlink 的 Frame / Subcarrier
• 騙 UE 去 attach
攻擊目的：
✔ 偷資料
✔ 控制 UE routing
✔ 竊聽
✔ 分流訊號
✔ 壓制星鏈覆蓋（Denial）
但所有模擬者都會遇到一個物理難題：
⭐ 要模仿「7.4 km/s 的軌道移動」幾乎不可能
因為：
• 相對速度不同
• Doppler 變化量不同
• Doppler 一階導數（速度）不同
• Doppler 二階導數（加速度）不同
• 軌道周期不同
• 傳播距離不同
• 時間偏差不同
這就是治理假衛星最強武器。
________________________________________
🧠 二、LEO 衛星的 Doppler Profile 長什麼樣？
LEO 星鏈衛星移動速率：
v ≈ 7,400 m/s
基本多普勒公式：
Δf = (v / c) · f_c
以 Ka-band（20 GHz）為例：
Δf ≈ 500 kHz（量級）
而且：
⭐ 多普勒不只「大」，還會「持續時間變化」。
ASCII：LEO Doppler 是否可模仿？
Real LEO Doppler:
Δf(t)
^
| /‾‾‾‾‾‾‾‾\
| / \
| / \
|__/ \___
+-----------------------------→ t
這個示意圖說明 真實 LEO 衛星通訊中的多普勒頻移 Δf(t) 會隨時間呈現先快速上升、於最接近通過時達到峰值，再對稱性下降的連續變化，而非固定常數。
Fake Satellite Doppler:
Δf(t)
^
| ────(flat)──── or ─noise─
+-----------------------------→ t
這個示意圖說明 偽造衛星訊號的多普勒頻移 Δf(t) 往往呈現不隨時間變化的平坦線，或僅有隨機雜訊起伏，與真實 LEO 衛星具備明確時間連續性的多普勒曲線明顯不符。
假衛星的特徵：
• 幾乎是「平的」
• 或人為加入亂數
• 不可能做出「精準的加速度曲線」
UE 或衛星只要對比 Doppler Profile 就能識破。
________________________________________
🧠 三、Doppler Profile 如何用來偵測假衛星？
⭐ ① 透過「多普勒軌跡曲線」做比對
UE 會：
• 量測 Δf(t)、Δf'(t)、Δf''(t)
• 與衛星 ephemeris（軌道參數）比對
如果曲線不吻合：
→ 立即判定 spoofing。
⭐ ② 一階導數：速度特徵
LEO 速度固定 → 約 7.4 km/s
假衛星無法營造同等速度。
⭐ ③ 二階導數：加速度特徵
LEO 在過頂（overhead）前後會產生
「加速度變號」
假衛星做不出這種物理現象。
⭐ ④ Doppler Spread（衰落造成的擴散）
LEO 會經過不同散射環境
→ 有特色的 Doppler spread
假衛星模擬器通常只有 Rician/Rayleigh 模型 → 不吻合。
⭐ ⑤ Doppler Consistency Check（軌道一致性）
衛星位置已由網路側掌握：
• RAN-level ephemeris
• LEO Tracking Table
• 星間 Laser Link Sync
如果 UE 看到的多普勒 ≠ 網路預期
→ Spoofing。
________________________________________
🧠 四、為什麼 Doppler Spoofing Detection 難以突破？
因為這不是軟體問題，而是「物理真相」。
假衛星要冒充 LEO 必須：
✔ 模擬 7,400 m/s 的相對速度
✔ 模擬高空軌道高度（550 km）
✔ 模擬加速度
✔ 模擬 Doppler 的二階導數
✔ 與 UE、衛星和 Gateway 對齊 timing
✔ 同步星間 Laser Link routing
這些 都需要真的「太空位置」才做得到。
結論：
⭐ 假衛星在物理層上天生破功。
________________________________________
🧠 五、AI-native Doppler Spoofing Detection（6G 新武器）
AI 會：
• 學習 Doppler pattern
• 建立「衛星 Doppler 指紋」
• 偵測異常變化
• 判定是否是假衛星波束
• 甚至逆推干擾者位置
強化學習（DRL）讓系統能在：
✔ 幾十毫秒內偵測
✔ 幾百毫秒內斷開 spoofed channel
UE 無需人工判斷。
________________________________________
🧠 六、模擬題（Graduate level）
1️⃣ 建立真 LEO Doppler Track（Ka 帶 20 GHz）並加入 +/- 10% noise。
2️⃣ 模擬假衛星用固定 Δf 欺騙 UE 的特徵。
3️⃣ 以 UE 角度量測 Δf(t) 的二階導數是否吻合 LEO 模型。
4️⃣ 設計 AI 模型偵測 Doppler 偏差 > 5%，輸出 spoofing alert。
5️⃣ 在 Rician channel 下比較「真衛星 vs 假衛星」的 Doppler spread 差異。
________________________________________
🧠 七、小結（本節重點）
✔ 假衛星 Spoofing 是未來的 NTN 核心威脅
✔ LEO 固有的「多普勒曲線」是無法偽造的物理指紋
✔ 比對 Δf(t)、Δf'(t)、Δf''(t) 即可快速識別
✔ Radar-style Doppler profile = 最強 Fake Satellite Detection 方法
✔ AI-native Doppler Analysis 讓 UE 能在 milliseconds 等級偵測 spoofing
一句話：
🌠 你可以偽造波形，但你無法偽造「軌道物理」。
Doppler Profile = 太空網路的生物指紋。
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
