CN113721267A - 一种基于双接收机载波相位差分的gnss欺骗干扰检测方法 - Google Patents

一种基于双接收机载波相位差分的gnss欺骗干扰检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，包括：假设观测历元k时接收机A捕获的信号为真实信号；对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法求得接收机A观测历元k时的位置；其次，通过接收机A与接收机B测站间、不同卫星间、相邻观测历元间载波相位观测值差分，建立载波相位三差模型；基于接收机A的位置计算出接收机B的位置；通过接收机A与接收机B之间的距离与真实基线长度对比，判别接收信号的真伪。本发明运用假设检验思想，通过两个接收机实现目标导航欺骗干扰信号的有效检测，检测效率高，操作方便，且接收机不需要增加额外的硬件设备，节约了接收机设计成本。

Description

一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法
技术领域
本发明属于卫星导航抗干扰技术领域，具体涉及一种基于双接收机(双天线)载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法。
背景技术
随着信息技术的发展，全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)已广泛应用于金融、民航、城市交通、武器精确制导等重要领域。然而，GNSS信号到达地面时极其微弱，地面接收设备易受干扰，其中欺骗性干扰因其隐蔽性强、危害性大而备受关注。在欺骗干扰条件下，如何保障目标接收机仍然能够拥有可靠、正确的定位信息至关重要，有效的欺骗干扰探测技术是实现GNSS抗欺骗干扰的前提，也是保障GNSS信息安全的有效措施。
通常，利用天线技术实现欺骗干扰探测的方法，需要运用多个天线阵，并且假定欺骗干扰信号来自同一个方向，或者需要额外增加惯性测量单元来获取多天线姿态信息。当欺骗干扰信号来自不同方向时，则无法进行有效检测，即检测具有局限性，且接收机体积较大、检测成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，基于假设检验的思想，在降低接收机检测成本，提高检测效率的条件下运用双接收机实现GNSS欺骗干扰检测，实现了欺骗干扰信号的快速检测、识别。提升目标接收机抗欺骗性干扰的检测能力。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，包括：
步骤1：基于接收机A与接收机B，设置初始检测条件：假设观测历元k时接收机A捕获的信号为真实信号；
步骤2：通过接收机A与接收机B载波相位观测值，建立载波相位观测方程；
步骤3：对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置；
步骤4：通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，站间、星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型；
步骤5：基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置；
步骤6：通过接收机A与接收机B之间的距离与真实基线长度对比，判别接收信号的真伪。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤3所述对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置，具体为：
接收机A对同一卫星信号的载波相位观测值在观测历元k-1与观测历元k时进行差分，得到载波时间单差方程，并基于历元k-1的位置信息，运用最小二乘法求得历元k时接收机A的位置。
上述的步骤3中，根据步骤1假设，历元k时接收机A捕获的信号为真实信号，运用历元k-1的位置信息，在可观测的卫星数为n(n≥4)时，计算历元k时接收机A的位置，具体包括：
步骤301：建立四元非线性载波时间单差方程；
步骤302：由于历元k-1时接收机A的位置已知，以历元k-1时的接收机A位置结果为基础泰勒近似展开，将载波时间单差方程线性化；
步骤302：运用最小二乘法求解线性化后的方载波时间单差方程，获得接收机A历元k时的定位结果，即历元k时接收机A的位置。
上述的步骤301所述四元非线性载波时间单差方程通过如下方式建立：
设接收机A在观测历元k-1与观测历元k时对第i颗卫星的载波相位观测值分别为：
Figure BDA0003241243170000021
Figure BDA0003241243170000022
其中，
Figure BDA0003241243170000023
为观测历元m时接收机A的载波相位观测值，
Figure BDA0003241243170000024
为观测历元m时卫星i到接收机A的几何距离，δtA,u,m为观测历元m时接收机A的钟差，
Figure BDA0003241243170000025
观测历元m时卫星i的钟差；c为光速，λ为载波波长，
Figure BDA0003241243170000026
为观测历元m时接收机A对应的电离层延迟误差，
Figure BDA0003241243170000027
为观测历元m时接收机A对应的对流层延迟误差，
Figure BDA0003241243170000028
为观测历元m时接收机A是载波相位测量噪声，m＝k,k-1。
运用电离层延迟校正模型、对流层延迟校正模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
根据公式(1)和(2)，得到接收机A对第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间单差方程为：
Figure BDA0003241243170000031
其中，
Figure BDA0003241243170000032
ΔδtA,u,k＝δtA,u,k-δtA,u,k-1，
Figure BDA0003241243170000033
上述的步骤4所述通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，测站间、不同卫星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型，具体为：
在同一时刻，接收机A与接收机B分别对同一卫星信号所对应的载波相位观测值进行差分，得到单差观测方程，并对单差观测方程再进行一次差分，得到双差观测方程，进一步，对双差观测方程在历元k与历元k-1时进行差分，建立载波相位三差模型。
上述的步骤4所述载波相位三差模型的建立方法如下：
建立接收机B对第i颗卫星信号在观测历元k-1与观测历元k时的载波相位观测方程；
运用电离层延迟模型、对流层延迟模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
通过接收机A和接收机B分别对第i颗卫星信号在历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure BDA0003241243170000034
其中，
Figure BDA0003241243170000035
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure BDA0003241243170000036
其次,通过接收机A和接收机B分别对第j颗卫星信号历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure BDA0003241243170000037
其中，
Figure BDA0003241243170000038
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure BDA0003241243170000039
通过(4)和(5)式，对单差观测方程再进行不同卫星间星间差分，得到载波相位双差观测方程为：
Figure BDA0003241243170000041
其中，
Figure BDA0003241243170000042
Figure BDA0003241243170000043
再对(6)式载波相位双差观测方程在历元k-1与历元k时进行差分，建立载波相位三差模型如下：
Figure BDA0003241243170000044
其中，
Figure BDA0003241243170000045
上述的步骤5所述基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置，具体为：
通过历元k时接收机A的位置，采用载波相位三差模型迭代求得接收机B历元k时的位置。
上述的步骤5中，基于接收机A历元k时的位置，在可观测卫星数为n(n≥3)时，计算历元k时接收机B的位置，具体包括：
步骤501：以接收机A历元k时的位置为基础，结合第i颗卫星和第j颗卫星的位置，将载波相位三差模型的方程组泰勒近似展开，将方程组线性化。
步骤502：迭代求解线性化载波相位三差模型的方程组，获得接收机B历元k时的位置。
上述的步骤6中，判断接收机A与接收机B之间的距离是否等于基线长度AB，若是，则接收机捕获信号为真实信号，否则接收机捕获信号为欺骗信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明运用假设检验思想，通过两个接收机实现目标导航欺骗干扰信号的有效检测,相比较目前基于天线阵的检测技术，检测效率高，操作方便，且接收机不需要增加额外的硬件设备，节约了接收机设计成本。
附图说明
图1为本发明中方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1，本发明的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，包括：
步骤1：基于接收机A与接收机B，设置初始检测条件：假设观测历元k时接收机A捕获的信号为真实信号；
步骤2：通过接收机A与接收机B载波相位观测值，建立载波相位观测方程；
步骤3：对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置；
步骤4：通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，站间、星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型；
步骤5：基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置；
步骤6：通过接收机A与接收机B之间的距离与真实基线长度对比，判别接收信号的真伪。
实施例中，步骤3所述对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置，具体为：
接收机A对同一卫星信号的载波相位观测值在观测历元k-1与观测历元k时进行差分，得到载波时间单差方程，并基于历元k-1的位置信息，运用最小二乘法求得历元k时接收机A的位置。
步骤3中，根据步骤1假设，历元k时接收机A捕获的信号为真实信号，运用历元k-1的位置信息，在可观测的卫星数为n(n≥4)时，计算历元k时接收机A的位置，具体包括：
步骤301：通过方程(3)式建立四元非线性载波时间单差方程；
步骤302：由于历元k-1时接收机A的位置已知，以历元k-1时的接收机A位置结果为基础泰勒近似展开，将载波时间单差方程线性化；
步骤302：运用最小二乘法求解线性化后的方载波时间单差方程，获得接收机A历元k时的定位结果，即历元k时接收机A的位置。
步骤301所述四元非线性载波时间单差方程通过如下方式建立：
设接收机A在观测历元k-1与观测历元k时对第i颗卫星的载波相位观测值分别为：
Figure BDA0003241243170000051
Figure BDA0003241243170000052
其中，
Figure BDA0003241243170000061
为观测历元m时接收机A的载波相位观测值，
Figure BDA0003241243170000062
为观测历元m时卫星i到接收机A的几何距离，δtA,u,m为观测历元m时接收机A的钟差，
Figure BDA0003241243170000063
为观测历元m时卫星i的钟差；c为光速，λ为载波波长，
Figure BDA0003241243170000064
为观测历元m时接收机A对应的电离层延迟误差，
Figure BDA0003241243170000065
为观测历元m时接收机A对应的对流层延迟误差，
Figure BDA0003241243170000066
为观测历元m时接收机A是载波相位测量噪声，m＝k,k-1。
运用电离层延迟校正模型、对流层延迟校正模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
根据公式(1)和(2)，得到接收机A对第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间单差方程为：
Figure BDA0003241243170000067
其中，
Figure BDA0003241243170000068
ΔδtA,u,k＝δtA,u,k-δtA,u,k-1，
Figure BDA0003241243170000069
实施例中，步骤4所述通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，站间、星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型，具体为：
在同一时刻，接收机A与接收机B分别对同一卫星信号所对应的载波相位观测值进行差分，得到单差观测方程，并对单差观测方程再进行一次差分，得到双差观测方程，进一步，对双差观测方程在历元k与历元k-1时进行差分，建立载波相位三差模型。
所述载波相位三差模型建立方法如下：
同理与方程(1)式，建立接收机B对第i颗卫星信号在观测历元k-1与观测历元k时的载波相位观测方程；
运用电离层延迟模型、对流层延迟模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
通过接收机A和接收机B分别对第i颗卫星信号在历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure BDA00032412431700000610
其中，
Figure BDA00032412431700000611
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure BDA00032412431700000612
其次,通过接收机A和接收机B分别对第j颗卫星信号历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure BDA0003241243170000071
其中，
Figure BDA0003241243170000072
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure BDA0003241243170000073
通过(4)和(5)式，对单差观测方程再进行不同卫星间星间差分，得到载波相位双差观测方程为：
Figure BDA0003241243170000074
其中，
Figure BDA0003241243170000075
Figure BDA0003241243170000076
再对(6)式载波相位双差观测方程在历元k-1与历元k时进行差分，建立载波相位三差模型如下：
Figure BDA0003241243170000077
其中，
Figure BDA0003241243170000078
实施例中，步骤5所述基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置，具体为：
通过历元k时接收机A的位置，采用载波相位三差模型迭代求得接收机B历元k时的位置。
步骤5中，基于接收机A历元k时的位置，在可观测卫星数为n(n≥3)时，计算历元k时接收机B的位置，具体包括：
步骤501：以接收机A历元k时的位置为基础，结合第i颗卫星和第j颗卫星的位置(卫星星历数据获得)，将载波相位三差模型(式(7))的方程组泰勒近似展开，将方程组线性化。
步骤502：迭代求解线性化载波相位三差模型的方程组，获得接收机B历元k时的位置。
实施例中，欺骗干扰信号的存在必将导致载波相位测量值与真实值不同。
信号由真实信号向欺骗干扰信号切换的过程中，受信号不稳定、重新捕获的影响，接收机的钟差会发生跳变，使得载波相位单差定位方法的定位结果误差在短时间内增大。对比载波相位单差最小二乘法定位方法，三差模型消除了接收机钟差的影响。故此，在历元k信号为真的假设下，通过上述两种方法计算得到历元k时的定位值，存在两种情况：
(1)若两种方法获得的定位结果之间的距离与实际基线长度近似相等，则说明历元k-1与历元k时接收机捕获的信号为真；
(2)若两种方法获得的定位结果之间的距离与实际基线长度不相等，且基本为零，则说明历元k-1与历元k时接收机捕获信号为欺骗干扰信号。
即所述步骤6中，判断接收机A与接收机B之间的距离是否等于基线长度AB，若是，则接收机捕获信号为真实信号，否则接收机捕获信号为欺骗信号。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括：
步骤1：基于接收机A与接收机B，设置初始检测条件：假设观测历元k时接收机A捕获的信号为真实信号；
步骤2：通过接收机A与接收机B载波相位观测值，建立载波相位观测方程；
步骤3：对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置；
步骤4：通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，测站间、不同卫星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型；
步骤5：基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置；
步骤6：通过接收机A与接收机B之间的距离与真实基线长度对比，判别接收信号的真伪。
2.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤3所述对接收机A相邻历元间载波相位观测值差分，建立载波时间单差方程，运用最小二乘法获得接收机A的位置，具体为：
接收机A对同一卫星信号的载波相位观测值在观测历元k-1与观测历元k时进行差分，得到载波时间单差方程，并基于历元k-1的位置信息，运用最小二乘法求得历元k时接收机A的位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤3中，根据步骤1假设，历元k时接收机A捕获的信号为真实信号，运用历元k-1的位置信息，在可观测的卫星数为n(n≥4)时，计算历元k时接收机A的位置，具体包括：
步骤301：建立四元非线性载波时间单差方程；
步骤302：由于历元k-1时接收机A的位置已知，以历元k-1时的接收机A位置结果为基础泰勒近似展开，将载波时间单差方程线性化；
步骤302：运用最小二乘法求解线性化后的方载波时间单差方程，获得接收机A历元k时的定位结果，即历元k时接收机A的位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，
步骤301所述四元非线性载波时间单差方程通过如下方式建立：
设接收机A在观测历元k-1与观测历元k时对第i颗卫星的载波相位观测值分别为：
Figure FDA0003241243160000021
Figure FDA0003241243160000022
其中，
Figure FDA0003241243160000023
为观测历元m时接收机A的载波相位观测值，
Figure FDA0003241243160000024
为观测历元m时卫星i到接收机A的几何距离，δtA,u,m为观测历元m时接收机A的钟差，
Figure FDA0003241243160000025
为观测历元m时卫星i的钟差；c为光速，λ为载波波长，
Figure FDA0003241243160000026
为观测历元m时接收机A对应的电离层延迟误差，
Figure FDA0003241243160000027
为观测历元m时接收机A对应的对流层延迟误差，
Figure FDA0003241243160000028
为观测历元m时接收机A是载波相位测量噪声，m＝k,k-1；
运用电离层延迟校正模型、对流层延迟校正模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
根据公式(1)和(2)，得到接收机A对第i颗卫星信号在观测历元k与k-1时的载波时间单差方程为：
Figure FDA0003241243160000029
其中，
Figure FDA00032412431600000210
ΔδtA,u,k＝δtA,u,k-δtA,u,k-1，
Figure FDA00032412431600000211
5.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤4所述通过接收机A与接收机B载波相位观测方程，测站间、不同卫星间、相邻历元间差分建立载波相位三差模型，具体为：
在同一时刻，接收机A与接收机B分别对同一卫星信号所对应的载波相位观测值进行差分，得到单差观测方程，并对单差观测方程再进行一次差分，得到双差观测方程，进一步，对双差观测方程在历元k与历元k-1时进行差分，建立载波相位三差模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤4所述载波相位三差模型的建立方法如下：
建立接收机B对第i颗卫星信号在观测历元k-1与观测历元k时的载波相位观测方程；
运用电离层延迟模型、对流层延迟模型、卫星钟差来校正载波相位观测值；
通过接收机A和接收机B分别对第i颗卫星信号在历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure FDA00032412431600000212
其中，
Figure FDA0003241243160000031
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure FDA0003241243160000032
其次,通过接收机A和接收机B分别对第j颗卫星信号历元k时的载波相位观测值进行差分，得到载波站间单差观测方程为：
Figure FDA0003241243160000033
其中，
Figure FDA0003241243160000034
ΔδtAB,u,k＝δtA,u,k-δtB,u,k，
Figure FDA0003241243160000035
通过(4)和(5)式，对单差观测方程再进行不同卫星间星间差分，得到载波相位双差观测方程为：
Figure FDA0003241243160000036
其中，
Figure FDA0003241243160000037
Figure FDA0003241243160000038
再对(6)式载波相位双差观测方程在历元k-1与历元k时进行差分，建立载波相位三差模型如下：
Figure FDA0003241243160000039
其中，
Figure FDA00032412431600000310
7.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤5所述基于接收机A的位置，采用载波相位三差模型计算接收机B的位置，具体为：
通过历元k时接收机A的位置，采用载波相位三差模型迭代求得接收机B历元k时的位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤5中，基于接收机A历元k时的位置，在可观测卫星数为n(n≥3)时，计算历元k时接收机B的位置，具体包括：
步骤501：以接收机A历元k时的位置为基础，结合第i颗卫星和第j颗卫星的位置，将载波相位三差模型的方程组泰勒近似展开，将方程组线性化；
步骤502：迭代求解线性化载波相位三差模型的方程组，获得接收机B历元k时的位置。
9.根据权利要求1所述的一种基于双接收机载波相位差分的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤6中，判断接收机A与接收机B之间的距离是否等于基线长度AB，若是，则接收机捕获信号为真实信号，否则接收机捕获信号为欺骗信号。
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