CN103116171A - 卫星导航信号的虚假检测方法及卫星导航定位接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航信号的虚假检测方法。该方法基于接收机的初始位置，通过对接收的卫星导航信号中的卫星时钟和星历，计算星地距离和修正伪距，比较二者之间的误差距离，若大于预设的门限值则确定为虚假信号。本发明还公开了一种卫星导航定位接收机。通过上述方式，本发明提供了通过解析导航电文内容来检测虚假导航信号的方法，增强了接收机的反欺骗能力，并具有实现成本低、扩展性强、与接收机的应用方式紧密结合等优势。

Description

卫星导航信号的虚假检测方法及卫星导航定位接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是涉及卫星导航信号的虚假检测方法及卫星导航定位接收机。

背景技术

随着GPS和“北斗”卫星导航定位以及授时业务在我国的普遍应用，对国民经济有重要影响的行业部门，如通信、电力、交通等，不仅对卫星导航定位及授时业务的精准性有较高要求，对其依赖性也大大增强，主要或完全通过卫星导航定位及授时来提供基础服务和技术支持，因此对卫星导航定位及授时业务的安全性提出了更高要求。

伪装成真实卫星导航信号对卫星导航接收机进行欺骗性干扰已经成为卫星导航定位及授时接收机面临的一种重要威胁。如果卫星导航定位及授时接收机没有针对这种经过伪装的虚假欺骗信号采取有效的识别、检测等措施，那么一旦这种虚假欺骗信号被接收并对该信号进行解算获得虚假导航定位及授时信息，使得接收机产生错误的位置和时间，那么对重要国民经济部门的负面影响将会是巨大的。特别是授时型卫星导航接收机，利用这种类型的接收机可以获得精准的时间信息，满足对时间精度、时间同步等有较高要求的应用领域，但是如果这种时间信息被虚假欺骗信号任意篡改、取代和搅乱，那么会给国民经济、社会生活带来混乱，甚至影响社会稳定。

在现有技术中，针对虚假卫星导航信号的检测方法主要侧重于在信号层的检测研究，即是对接收的卫星导航信号的载波中心频率、波形、频谱、功率等情况进行静态或动态分析。这些方法为虚假卫星导航信号的检测应用提供了参考依据，但是在一些具体的应用领域中，这些方法难以与实际应用条件的紧密结合，因此在应用的灵活性、实用性、准确性、有效性以及技术成本方面不具有优势。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种卫星导航信号的虚假检测方法及卫星导航定位接收机，能够基于星历和卫星时钟对卫星导航信号进行虚假检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种卫星导航信号的虚假检测方法，该方法包括：在接收机开机时，通过该接收机进行初始定位，根据定位结果获得该接收机的初始位置；接收并跟踪卫星导航信号，从该卫星导航信号中获取星历和卫星时钟，根据该星历和该接收机的初始位置，计算星地距离；根据该卫星时钟，计算修正伪距；计算该星地距离与该修正伪距的误差距离；判断该误差距离是否大于门限值；在该误差距离大于该门限值时，确定该卫星导航信号是虚假信号。

在本发明卫星导航信号的虚假检测方法的另一实施例中，该检测方法还包括：在该误差距离小于或等于该门限值时，确定该卫星导航信号为真实信号，并存储该星历和该卫星时钟。

在本发明卫星导航信号的虚假检测方法的另一实施例中，该初始位置是对连续多次初始定位的定位结果进行均值计算得到的位置。

在本发明卫星导航信号的虚假检测方法的另一实施例中，该初始定位至少为10次，该均值计算的门限条件包括：三维精度几何因子<3，卫星数≥5颗，定位解算的最小二乘迭代的残差<0.01，多次初始定位的定位结果之间的经纬度、高程之差<30米。

在本发明卫星导航信号的虚假检测方法的另一实施例中，该初始位置确定后，将该接收机外部确定的该接收机的位置参数输入到该接收机，并对该初始位置进行校正。

在本发明卫星导航信号的虚假检测方法的另一实施例中，该门限值为30米。

本发明还提供了一种卫星导航定位接收机，该接收机包括：定位单元，用于该接收机进行初始定位，根据定位结果计算该接收机的初始位置；信号单元，用于接收并跟踪卫星导航信号，从该卫星导航信号中获取星历和卫星时钟；计算单元，用于根据该星历和该接收机的初始位置，计算星地距离；根据该卫星时钟，计算修正伪距；计算该星地距离与该修正伪距的误差距离；判断单元，用于判断该误差距离是否大于门限值；执行单元，在该判断单元的判断结果为是时，确定该卫星导航信号是虚假信号；在判断结果为否时，确定该卫星导航信号是真实信号，并存储该星历和该卫星时钟。

在本发明卫星导航定位接收机的另一实施例中，该该门限值为30米。

本发明的有益效果是：通过提供卫星导航信号的虚假检测方法，基于卫星导航信号中的星历和卫星时钟，以及接收机的初始位置，计算星地距离和修正伪距并计算二者的距离误差，再与门限值比较，从而进行虚假信号的检测。该方法具有实现方法灵活、扩展性强、成本低等优势，增强了卫星导航定位接收机的反欺骗能力。

附图说明

图1是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第一实施例的流程示意图；

图2是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第二实施例的流程示意图；

图3是根据本发明卫星导航定位接收机第一实施例的结构示意图；

图4是根据本发明卫星导航定位接收机第二实施例的结构示意图；

图5是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第三实施例的流程示意图；

图6是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第四实施例的流程示意图；

图7是根据本发明卫星导航定位接收机第三实施例的结构示意图；

图8是根据本发明卫星导航定位接收机第四实施例的结构示意图；

图9是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第五实施例的流程示意图；

图10是根据本发明卫星导航定位接收机第五实施例的结构示意图；

图11是根据本发明卫星导航信号的虚假检测方法第六实施例的流程示意图。

具体实施方式

首先，需要明确指出的是本发明实施例采用的方法是基于对接收的卫星导航信号进行解调后，能够获得其中的导航电文等信息，因此本发明实施例是一种在信息层面上的反欺骗方法。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1显示了本发明卫星导航信号的虚假检测方法第一实施例的流程示意图。该虚假检测方法包括以下步骤：

步骤S101：在接收机开机时，通过接收机进行初始定位，根据定位结果获得接收机的初始位置。

其中，首先要确定卫星导航定位接收机的初始位置。本发明实施例中的接收机通常固定安装在某一位置，或者是较长时间内不移动的授时型接收机。因此，该接收机所处的位置坐标，即该接收机的初始位置既可以利用本机进行定位获得，也可以根据已知的准确位置信息获得，即利用接收机外部获取的准确位置坐标输入到接收机内部作为参考或校正依据。当进行定位时，通常是在接收机初次开机时进行，为了保证初始定位的准确性，一般需要连续多次定位，例如取至少10次连续定位结果，对该至少10次初始定位的定位结果进行均值计算，均值计算的门限条件包括：PDOP（Position Dilution of Precision，三维精度几何因子）<3，卫星数≥5颗，定位解算时的最小二乘迭代的残差<0.01，多次定位结果相互之间的经纬度、高程之差<30米。以该均值计算的位置作为该接收机的初始位置。当然，在该初始位置确定后，也可以将该接收机外部确定的该接收机的位置参数输入到该接收机，以对该初始位置进行校正，提高初始位置的准确度。

步骤S102：接收并跟踪卫星导航信号，根据初始位置以及接收机存储的参考历书计算出与卫星导航信号对应的卫星的概略位置参数。

其中，卫星导航信号中包含导航电文，导航电文中包含有卫星星历、历书、卫星时钟、卫星健康状况与精度等信息。在利用卫星进行定位时，事先确定卫星在空间的位置是至关重要的，尤其是接收机测量卫星导航信号从卫星发射的那个时刻的卫星空间位置，这需要从导航电文中取出卫星轨道参数，即星历，计算卫星当时的实际位置。每个卫星除了广播自己的星历外，还在导航电文中广播星座中所有卫星的简单星历，后者称为历书。历书用来估算卫星的近似位置，其参数的精度没有星历参数那样精确。因此，从用途而言，历书包括全部卫星的大概位置，用于卫星位置预报；星历是当前接收机观测到的卫星的精确位置，用于定位。利用星历或历书计算卫星空间位置方程：

$\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}r\cos \mathrm{\&Omega;}\cos \mathrm{\&Phi;}-r\sin \mathrm{\&Omega;}\cos i\sin \mathrm{\&Phi;}\\ r\sin \mathrm{\&Omega;}\cos \mathrm{\&Phi;}+r\cos \mathrm{\&Omega;}\cos i\sin \mathrm{\&Phi;}\\ r\sin i\sin \mathrm{\&Phi;}\end{array}\right]$

其中，（X_i，Y_i，Z_i）是卫星在以地心为原点的地固坐标系中的空间位置，r是卫星到地心的距离，Ω是升交点赤经，i是卫星轨道倾角，Ф是近地点角距。这里，参数r、Ω、i和Ф可以由星历或历书得到。

利用历书和当地的位置，可以计算出卫星相对于观测地的方位角和仰角，由此可以计算出当地能观测到的卫星和持续时间，即卫星仰角大于5°的出现时间。

利用卫星进行定位的基本原理方程是：

$\sqrt{{(X-X_i)}^2+{(Y-Y_i)}^2+{(Z-Z_i)}^2}+\mathrm{c\&Delta;t}={\mathrm{\&rho;}}_i$

式中（X，Y，Z）是接收机位置，（X_i，Y_i，Z_i）是卫星位置，这两个位置均在以地心为原点的地固坐标系中，c是光速，Δt是接收机与卫星的钟差，ρ_i是接收机到卫星的伪距，i＝1，2，3，4表明至少需要4颗卫星进行解算。由此可见，为了确定接收机所在的位置，需要知道卫星的空间位置，以及卫星到接收机之间的伪距，再进行一定的误差修正，就可以得到较为准确的接收机位置。（X_i，Y_i，Z_i）是通过星历或历书获得卫星的位置，而ρ_i则是通过伪码测距得到。

接收机接收到卫星导航信号后不断跟踪卫星导航信号，并从卫星导航信号中获得导航电文，本发明实施例利用导航电文中的历书，通过对卫星的空间位置进行计算和比较来进行虚假检测。其中，必须要有准确的历书作为参考，可以将最近一次获得并且是来自于真实导航信号中的历书作为参考，该历书已被存储下来，这里称该历书为参考历书。由于历书的数据量比较大，更新周期较长，并且提供的是卫星的概略位置信息，使用历书计算卫星位置只能达到公里级的精度,但这种公里级精度可以在较长时间内保持不变。因此，在初始定位过程中接收获得的参考历书是准确的前提下，在较长时间内通过该参考历书计算得出的卫星位置在其精度范围内也是准确的。

对于接收的卫星导航信号，既包括新进入接收机视野的卫星发出的卫星导航信号，也可能会收到虚假的卫星导航信号。虚假的卫星导航信号按产生方式可分为：产生式和转发式。产生式是欺骗设备自主产生的欺骗导航信号，目的是使接收机解算偏离真实位置或时间；转发式是转发经过一定延迟的导航信号，也能使接收机产生错误位置或时间信息。在步骤S102中，对接收的卫星导航信号中的导航电文进行解析，从中可以得到该卫星的身份信息，即卫星识别号，然后根据该卫星识别号，利用参考历书可以得到该卫星的空间坐标位置，为便于说明，通过参考历书得到的该卫星的空间坐标位置表示为（X_i，Y_i，Z_i），并且和接收机在一个坐标系内。然后由卫星坐标（X_i，Y_i，Z_i）和接收机坐标（X，Y，Z）可以计算该卫星相对于该接收机的概略位置参数，该概略位置参数包括该卫星相对于地面接收机的方位角、仰角等参数，由于该卫星和接收机的在同一个坐标系内的坐标均已得到，因此概略位置参数易于求出，并能反映出该卫星与地面接收机的相对位置关系。

以卫星相对于接收机的方位角和仰角为例，其计算过程如下：首先，在以接收机为原点的站心坐标系中，计算出卫星相对于接收机的直角坐标：

$\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_E\\ z_U\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\sin B\cos L& -\sin L\cos B& \cos B\\ -\sin L& \cos L& 0\\ \cos B\cos L& \cos B\sin L& \sin B\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_i-x\\ y_i-y\\ z_i-z\end{array}\right]$

其中，在站心坐标系中(x_N，y_E，z_U)是卫星相对于接收机的位置，L、B分别是接收机的大地经度和大地纬度，（X，Y，Z）是接收机的位置，（X_i，Y_i，Z_i）是卫星的空间位置。

然后，通过空间直角坐标与极坐标之间的关系：

$\left[\begin{array}{c}{x}_N\\ y_E\\ z_U\end{array}\right]=D\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{El}\cos \mathrm{Az}\\ \cos \mathrm{El}\sin \mathrm{Az}\\ \sin \mathrm{El}\end{array}\right]$

其中

El是卫星仰角，Az是卫星方位角。得出卫星的方位角和仰角：

$\mathrm{Az}=\arctan \frac{y_E}{x_N},$ $\mathrm{El}=\arctan \frac{z_U}{\sqrt{x_N^2+y_E^2}}$

步骤S103：根据概略位置参数判断卫星是否在接收机的观测视野内；在判断结果为否时，确定卫星导航信号是虚假信号。

其中，由于卫星围绕地球在预定轨道上运动，因此每个卫星经过某一地域上空的时间，及其在该地域上空相对于接收机的方位角和仰角是可以根据接收机初始位置和参考历书进行计算的。如果接收的是真实的卫星导航信号，则计算得出的该卫星方位角和仰角能够反映当前卫星处于接收机所在地域的观测视野内；如果接收的是虚假的卫星导航信号，那么计算得出观测该卫星的方位角和仰角就有可能不在接收机当前位置可观测的视野范围内。例如，接收机正常接收到卫星发出的导航信号时，需要卫星相对于接收机的仰角要大于5°，而计算得到的仰角是1°，这种明显的错误说明接收到的是虚假信号。在确定卫星导航信号是虚假信号后，接收机可以发出预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和/或授时信息输出。

通过本实施例，只需要根据历书和接收机初始位置就可以推算卫星相对于接收机的概略位置，对于不在观测视野的卫星能够直接明了的判断是虚假信号，具有实现方法简单的优势。

图2是本发明卫星导航信号的虚假检测方法第二实施例的流程示意图。图2中的步骤S201、S202、S203和步骤S207具有与图1中的步骤S101、S102、S103相同的技术特征，此处不再赘述。而在步骤S203中，对卫星是否在接收机的观测视野内进行了检测，检测结果是在接收机地域的观测视野内，也不足以说明卫星导航信号是否真实，还需要进一步对所接收的卫星导航信号进行虚假检测。这是因为计算卫星相对于接收机的方位角和仰角，是对卫星位置的概略计算，还不能从卫星的空间坐标位置上去进行更准确的判断。如果步骤S203的判断结果为是，则进行步骤S204。

步骤S204：根据参考历书计算出卫星的参考空间位置，根据卫星导航信号中的当前历书计算出卫星的当前空间位置，以及计算卫星的参考空间位置与当前空间位置之间的误差距离。

其中，首先需要完成两个计算过程。第一个计算是根据所接收的导航电文中的卫星身份，即卫星识别号，以及参考历书，对该卫星进行轨道计算，可以得到该卫星的空间位置，此处仍用坐标（X_sr，Y_sr，Z_sr）表示通过参考历书得到的卫星坐标，并称之为卫星参考空间位置。由前述可知，由于历书更新周期较长，经过一段时间以后，利用前一时间段获得的历书对卫星空间位置计算时，准确度会下降，但在一段时间内，如10天以内，其误差精度却仍有较高的稳定性，通常是在公里级的误差范围内；第二个计算是根据所接收的导航电文中的卫星身份以及更新历书，即当前历书，计算该卫星的空间位置，此处用坐标（X_sc，Y_sc，Z_sc）表示通过当前历书得到的卫星坐标，并称之为卫星当前空间位置。然后，将卫星参考空间位置和该卫星当前空间位置进行比较，就是计算这两个空间位置之间的距离，即

这里称之为这两个空间位置的误差距离。

步骤S205：判断误差距离是否大于门限值，若是，执行步骤S207，若否，执行步骤S206。

其中，门限值的选取与参考历书的更新时间T_f及当前历书的获取时间T_c的间隔有关系，例如，当T_c-T_f≤1天，门限值设定为1公里；当1天<T_c-T_f≤5天，门限值设定为5公里；当T_c-T_f>5天，门限值设定为10公里。

步骤S206：确定卫星导航信号为真实信号，用当前历书替换参考历书。

其中，如果误差距离小于或等于门限值，则表明所接收的卫星导航信号具有较高的可信度，可以接收其中的导航电文，并用当前历书替换参考历书，即以当前历书作为新的参考历书来替换已有的参考历书，并将该当前历书的获取时间T_c作为新的参考历书的更新时间T_f，该当前历书将作为后期检测（比如下一次开机）的参考历书。

如果误差距离大于该门限值，说明通过接收的导航电文计算得到的卫星空间位置相对于该卫星的参考空间位置有较大偏差，这种偏差超出了利用参考历书，在一定的时间范围内计算卫星空间位置的误差范围，而卫星的参考空间位置是有可信度的，因此执行步骤S207，判定所接收的卫星导航信号是虚假导航信号。

在步骤S207之后，可以进一步进行虚假导航信号预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和/或授时信息输出。

本实施例是在上述第一实施例判断卫星导航信号不是虚假信号的基础上，利用参考历书和当前历书分别计算该卫星的空间位置，并比较这两个计算结果的差异，如果差异过大，超过了设置的门限，可以得到当前所接收的卫星导航信号是虚假信号的结论。该实施例有助于进一步增强对卫星导航信号的虚假检测。

图3显示了本发明卫星导航定位接收机第一实施例的结构示意图。该接收机除了具有一般导航接收机的组成外，还包括用于对卫星导航信号进行虚假检测的结构组成，该卫星导航定位接收机包括定位单元301、信号单元302、第一判断单元303以及执行单元304。

其中，定位单元301，用于在接收机开机时进行初始定位，根据定位结果获得接收机的初始位置。在接收机初始工作时，定位单元301利用信号单元302获得的导航电文内容，进行初始定位，为了保证初始定位的准确性，一般需要连续多次定位，例如取至少10次连续定位结果，对该至少10次初始定位的定位结果进行均值计算，由此获得接收机的初始位置。定位单元301也可以接收来源于接收机外部确定的位置参数进行校正，以提高定位单元301确定初始位置的准确度。

信号单元302，用于接收并跟踪卫星导航信号，根据接收机初始位置以及接收机存储的参考历书计算出与卫星导航信号对应的卫星的概略位置参数。其中，接收机初始位置是由定位单元301提供，参考历书是由信号单元302接收并存储下来的真实导航电文中的历书，该历书来源于真实的卫星导航信号，可以较准确地确定卫星的空间位置。卫星的概略位置参数是指卫星相对于地面接收机的方位角、仰角等参数，反映出该卫星与地面接收机的相对位置关系。

第一判断单元303，用于根据概略位置参数判断该卫星是否在该接收机的观测视野内。这是因为接收机受到所处地理位置及地球形状结构限制，其观测视野是有限的，同时导航卫星相对于地球沿卫星轨道运行，某一时段内该卫星正好经过接收机观测视野，并且接收机收到该卫星发出的导航信号，那么通过对该卫星概略位置参数计算能够反映出该卫星正处于接收机的观测视野内；如果接收到虚假的卫星导航信号，就可能计算得到该卫星的概略位置参数不能反映该卫星当前正处于接收机的观测视野内。一方面接收到了该卫星发出的导航信号，另一方面由该导航信号反推出该卫星不在接收机的观测视野内，这种自相矛盾的结果说明了该导航信号并不是来源于该卫星，因此是虚假的卫星导航信号。第一判断单元303接收信号单元302对卫星概略位置参数的计算结果，由此判定该卫星是否在接收机的观测视野内。

执行单元304，用于在第一判断单元303的判断结果为否时，确定该卫星导航信号是虚假信号，执行单元304还可以做出预警提示，例如关闭定位和/或授时信息输出通道，开启声音告警、指示灯告警等。

图4显示了本发明卫星导航定位接收机第二实施例的结构示意图。图4中的定位单元401、信号单元402、第一判断单元403具有与图3中对应的定位单元301、信号单元302、第一判断单元303相同的技术特征，此处不再赘述。主要区别在于，当第一判断单元403根据卫星概略位置参数判断出该卫星是在接收机的观测视野内时，需要进一步进行虚假检测。

计算单元405就是在第一判断单元403的判断结果为是时，完成以下计算过程。首先，第一个计算是根据信号单元402所接收的导航电文中的卫星身份和存储的参考历书，对该卫星进行轨道计算，可以得到该卫星的参考空间位置；第二个计算是根据信号单元402所接收的导航电文中的卫星身份以及其中的历书，关于该历书这里称之为当前历书，计算该卫星的当前空间位置。然后，将卫星的参考空间位置和该卫星的当前空间位置进行比较，就是计算这两个空间位置之间的距离，这里称之为这两个空间位置的误差距离。

第二判断单元406将由计算单元405得到的误差距离与门限值进行比较，用于判断误差距离是否大于门限值。

在执行单元404中，根据第二判断单元406的判断结果执行相应的操作。如果误差距离大于该门限值，说明通过接收的导航电文计算得到的当前卫星空间位置相对于该卫星的参考空间位置有较大偏差，这种偏差超出了利用参考历书计算卫星空间位置的误差范围，而卫星的参考空间位置是有可信度的，因此可以判定所接收的卫星导航信号是虚假导航信号。如果小于或等于门限值，则表明所接收的卫星导航信号具有较高的可信度，是真实信号，可以接收其中的导航电文，并用当前历书替换参考历书，供后期检测使用。

通过本发明卫星导航定位接收机第一和第二实施例，使得该卫星导航定位接收机能够基于对卫星导航信号中的历书进行虚假检测，增强了该接收机的反欺骗能力。

图5显示了本发明虚假卫星导航信号检测方法第三实施例的流程示意图。该实施例主要是基于导航电文中的星历对接收的卫星导航信号进行虚假检测。

在步骤S501中，首先要从接收的卫星导航信号中获取参考星历，并记录该参考星历的更新时间。此处，所谓参考星历是指接收机从已接收鉴别为真实的卫星导航信号中获取的星历，并且该星历随着时间推移不断被更新和保存。同时，参考星历被更新的准确时间也被记录下来。在接收机开机工作初期，可以利用一些已知的准确信息判断所接收卫星导航信号的真假，例如已知接收机的准确位置，由此检验接收到的卫星导航信号所确定的接收机位置是否正确，然后再反推所接收的卫星导航信号中星历的真假。

步骤S502是指接收机不断接收和跟踪卫星导航信号，从接收到的卫星信号中获取当前星历，记录该当前星历的获取时间，并计算与参考星历的更新时间的时间间隔。步骤S501中最近一次参考星历的更新时间，用T_rx表示，以及步骤S502中当前星历的获取时间，用T_cx表示，计算这两个时间的时间间隔，即T_cx-T_rx，其应当符合导航卫星广播星历的更新频度值，因为导航卫星总是以一定的频度对星历进行更新，并保持这种更新频度不变。

接着，步骤S503判断该时间间隔是否符合广播星历更新频度值；在判断结果为否时，确定卫星导航信号是虚假信号。例如，该更新频度值是2小时/次，如果当前星历的获取时间与最近一次参考星历的更新时间的间隔等于星历更新频度值，如该时间间隔等于2小时，或在其附近，如介于1小时58分至2小时2分这样一个小误差区间范围，则表明获取的当前星历是正常的；如果这种时间间隔明显大于或明显小于广播星历的更新频度值，则表明当前星历来源于虚假信号，即所接收的卫星导航信号是虚假信号，在确定是虚假信号后，还可以进行虚假导航信号预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和（或）授时信息输出。

图6是本发明卫星导航信号的虚假检测方法第四实施例的流程示意图。图6中的步骤S601、S602、S603、S607具有与图5中的步骤S501、S502、S503相同的技术特征，此处不再赘述。而在步骤S603中对当前星历获取时间与参考星历更新时间的时间间隔是否符合星历更新频度值进行了判断，如果判断结果为是，还需要进一步对所接收的卫星导航信号进行虚假检测。

步骤S604就是在步骤S603判断时间间隔符合星历更新频度值的基础上，进一步分别利用参考星历和当前星历对卫星的空间位置进行计算。主要完成以下计算过程。第一个计算是根据所接收的导航电文中的卫星识别号，以及在步骤S601得到的参考星历，对该卫星进行轨道计算，可以得到该卫星的空间位置，此处用坐标（X_sp,Y_sp，Z_sp）表示通过参考星历得到的卫星坐标，并称之为卫星参考空间位置。由前述可知，由于星历更新较快，如每2小时更新一次，在星历更新前后利用两个不同星历计算得到的卫星空间位置的误差精度可在米级。第二个计算是根据所接收的导航电文中的卫星识别号以及当前星历，计算该卫星的空间位置，此处用坐标（X_sf,Y_sf，Z_sf）表示通过当前星历得到的卫星坐标，并称之为卫星当前空间位置。然后，对该卫星参考空间位置和卫星当前空间位置进行比较，就是计算这两个空间位置之间的距离，即

这里称之为这两个空间位置的误差距离。

在步骤S605中，对步骤S604得到的误差距离与预设的门限值进行比较判断，例如门限值设定为10米。如果误差距离大于门限值，进入步骤S607，说明通过接收的导航电文计算得到的当前卫星空间位置相对于该卫星的参考空间位置有较大偏差，这种偏差超出了利用星历更新前后计算卫星空间位置的误差范围，而经过鉴别的卫星的参考空间位置是可信的，因此卫星的当前空间位置不可信，可以判定所接收的卫星导航信号是虚假导航信号，还可以进行虚假导航信号预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和（或）授时信息输出。

步骤S606则是针对步骤S605中误差距离小于或等于门限值的情况，可以确定所接收的卫星导航信号为真实信号，用所接收的导航电文中的当前星历来替换已有的参考星历，即以当前星历作为新的参考星历来替换已有的参考星历，并将该当前星历的获取时间作为新的参考星历的更新时间。

本发明卫星导航信号的虚假检测方法的第三和第四实施例基于对接收的卫星导航信号中星历的更新频度，以及星历变化导致的卫星空间位置的距离误差进行检测，并与门限值比较，从而进行虚假信号的检测和预警提示。该方法利用了星历的特点规律，可适用于不同卫星导航系统中进行虚假信号检测，应用范围广，实现成本低，增强了卫星导航定位接收机的反欺骗能力。

图7显示了本发明卫星导航定位接收机的第三实施例的结构示意图。该接收机除了具有一般导航接收机的组成外，还包括用于对卫星导航信号进行虚假检测的结构组成。

信号单元701对卫星导航信号进行接收与跟踪，获得卫星导航信号中的导航电文。一方面，信号单元701要从接收的卫星导航信号中更新参考星历，并记录该参考星历的更新时间。此处，所谓参考星历是指接收机从已接收鉴别为真实的卫星导航信号中获取的星历，并且该星历随着时间推移不断被更新和保存。同时，参考星历被更新的准确时间也被记录下来。另一方面，信号单元701也不断从接收的卫星导航信号中获取当前星历，并记录该当前星历的获取时间，但是接收的卫星导航信号既包括新进入接收机视野的导航卫星发出的卫星导航信号，也可能会收到虚假的卫星导航信号，因此当前星历存在虚假可能性。

为此，第一判断单元702根据信号单元701中参考星历的更新时间，以及从接收的卫星导航信号中的当前星历的获取时间，计算这两个时间的间隔，该时间间隔应当符合导航卫星广播星历的更新频度值，例如，该更新频度值是2小时/次。如果当前星历的获取时间与参考星历的获取时间的间隔等于星历更新频度值，如该时间间隔等于2小时，或在其附近，如介于1小时58分至2小时2分这样一个区间范围，则表明获取的当前星历是正常的，符合导航卫星广播星历的更新频度值；如果这种时间间隔明显大于或明显小于星历的更新频度值，则表明该时间间隔不符合导航卫星广播星历的更新频度值，说明当前星历来源于虚假的导航信号。

当第一判断单元702判断间间隔不符合导航卫星广播星历的更新频度值时，将这一结果提交给执行单元703，由执行单元703确定所接收的卫星导航信号是虚假信号。此外，执行单元703还可以做出预警提示，例如关闭定位和/或授时信息输出通道，开启声音告警、指示灯告警等。

图8显示了本发明卫星导航定位接收机第四实施例的结构示意图。图8中的信号单元801、第一判断单元802具有与图7中对应的信号单元701、第一判断单元702相同的技术特征，此处不再赘述。区别主要在于，当第一判断单元802判断当前星历的获取时间与参考星历的更新时间的时间间隔符合广播星历更新频度值时，不能通过执行单元803确定为虚假信号并进行预警提示，需要进一步进行虚假检测。

计算单元804就是在第一判断单元802的判断结果为是时，完成以下计算过程。首先，第一个计算是根据信号单元801所接收的导航电文中的卫星识别号和参考星历，对该卫星进行轨道计算，可以得到该卫星的参考空间位置；第二个计算是根据信号单元801所接收的导航电文中的卫星识别号以及当前星历，计算该卫星的当前空间位置。然后，将卫星的参考空间位置和该卫星的当前空间位置进行比较，就是计算这两个空间位置之间的距离，这里称之为这两个空间位置的误差距离。

第二判断单元805将由计算单元804得到的误差距离与门限值进行比较，用于判断该误差距离是否大于门限值。这里由星历计算得到的卫星空间位置具有较高的精度，因此该门限值也有很高的精度，例如设定门限值为10米。

然后，在执行单元803中，根据第二判断单元805的判断结果执行相应的操作。如果在第二判断单元805得到误差距离大于门限值，说明通过接收的导航电文计算得到的当前卫星空间位置相对于该卫星的参考空间位置有较大偏差，这种偏差超出了利用参考星历计算卫星空间位置的误差范围，而卫星的参考空间位置是有可信度的，因此可以判定所接收的卫星导航信号是虚假导航信号，还可以进行预警提示。如果在第二判断单元805得到误差距离小于或等于门限值，则表明所接收的卫星导航信号具有较高的可信度，是真实信号，可以接收其中的导航电文，并用当前星历替换参考星历，即以当前星历作为新的参考星历来替换已有的参考星历，并将该当前星历的获取时间作为新的参考星历的更新时间，供后期检测使用。

通过本发明卫星导航定位接收机第三和第四实施例，使得该卫星导航定位接收机能够基于对卫星导航信号中的星历进行虚假检测，增强了该接收机的反欺骗能力。

图9显示了本发明虚假卫星导航信号检测方法第五实施例的流程示意图。该实施例主要是基于导航电文中的卫星时钟和星历对接收的卫星导航信号进行虚假检测。

步骤S901，在接收机开机时，通过该接收机进行初始定位，根据定位结果获得该接收机的初始位置。接收机初始位置的确定方法与图1中所示的步骤S101类似，不再赘述。

步骤S902是指接收机不断接收和跟踪卫星导航信号，并进一步从中获取当前星历和卫星时钟。然后，基于接收的卫星导航信号中的卫星时钟和星历，以及接收机的初始位置，需要完成以下计算过程。第一个计算是根据所接收的导航电文中的卫星星历，计算卫星的空间位置，用坐标（X_sv，Y_sv，Z_sv）表示通过星历得到的卫星空间位置，再根据步骤S901已获得的接收机的初始位置，用坐标（X，Y，Z）表示接收机的初始位置，计算卫星到接收机的距离，即

计算结果称之为星地距离。第二个计算是基于伪码测距原理，接收机利用伪码延时锁定环路（DLL，简称码跟踪环）使接收机的跟踪伪码在时间上和接收到的卫星导航信号的伪码对准，再将接收机的跟踪伪码和接收机的基准伪码对比，得到这两种伪码的时差ΔT₁，用c表示光速，则得到伪距ρ=cΔT₁。再考虑钟差的影响，即根据所接收的导航电文中的卫星时钟T_s，以及接收机的本地时钟T_r，得到了钟差ΔT₂=T_r-T_s，用该钟差对伪距ρ进行修正，得到修正后的伪距为c（ΔT₁-ΔT₂），称之为修正伪距。然后，再对得到的星地距离和经过钟差修正的伪距进行计算，主要是得到二者的差值，即 $\sqrt{{(X-X_{\mathrm{sv}})}^2+{(Y-Y_{\mathrm{sv}})}^2+{(Z-Z_{\mathrm{sv}})}^2}-c({\mathrm{\&Delta;T}}_1-\mathrm{\&Delta;}{T}_2),$ 称之为误差距离，应用中取该误差距离的绝对值。

步骤S903，判断误差距离是否大于门限值，门限值例如设定为30米。

如果误差距离大于该门限值，进入步骤S904，确定该卫星导航信号是虚假信号。这是因为在步骤S901已经得到了接收机的准确的初始位置，如果接收的卫星导航信号是真实的，那么修正伪距和星地距离应该是基本一致的，或者二者的误差小于门限值。否则，由于卫星时钟的虚假或者卫星星历的虚假会反映到修正伪距和星地距离之间有较大的误差距离，说明是虚假信号。并可以进行虚假导航信号预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和/或授时信息输出。

步骤S905则针对步骤S903中误差距离小于或等于门限值的情况，可以确定所接收的卫星导航信号为真实信号，并存储该星历和卫星时钟。

本发明卫星导航信号的虚假检测方法的第五实施例基于对接收的卫星导航信号中星历和卫星时钟，计算星地距离和修正伪距，并将二者的距离误差与门限值比较，从而进行虚假信号的检测及预警提示。该方法利用了卫星定位原理和伪码测距原理，可适用于不同卫星导航系统中进行虚假信号检测，应用范围广，实现成本低，增强了卫星导航定位接收机的反欺骗能力。

图10显示了本发明卫星导航定位接收机第五实施例的结构示意图。该接收机除了具有一般导航接收机的组成外，还包括用于对卫星导航信号进行虚假检测的结构组成。

其中，定位单元1001，用于在接收机开机初始工作时，利用信号单元1002获得的导航电文内容，对接收机进行初始定位，为了保证初始定位的准确性，一般需要连续多次定位，例如取至少10次连续定位结果，对该至少10次定位结果进行均值计算，由此获得该接收机的初始位置。定位单元1001也可以接收来源于该接收机外部确定的位置参数进行校正，以提高定位单元1001确定初始位置的准确度。

信号单元1002，用于接收并跟踪卫星导航信号，从该卫星导航信号中获取星历和卫星时钟。

计算单元1003基于接收的卫星导航信号中的卫星时钟和星历，以及由定位单元1001确定的接收机的初始位置，需要完成以下计算过程。第一个计算是根据所接收的导航电文中的星历，计算卫星的空间位置，再根据定位单元1001确定的接收机的初始位置，计算卫星到接收机的距离，计算结果称之为星地距离。第二个计算是根据伪码测距原理对卫星到接收机的伪距进行计算，并根据所接收的导航电文中的卫星时钟和接收机时钟，计算钟差，并对伪距进行修正，计算结果称之为修正伪距。然后，对得到的星地距离和修正伪距进行计算分析，主要是得到二者的差值，称之为误差距离，应用中取该误差距离的绝对值。

判断单元1004用于将由计算单元1003得到的误差距离与门限值进行比较，用于判断该误差距离是否大于门限值。该门限值也有很高的精度，例如设定门限值为30米。

执行单元1005根据判断单元1004的判断结果执行相应操作。如果误差距离大于门限值，说明通过接收的导航电文获取的卫星时钟和星历与实际不符，这是因为定位单元1001已经得到了接收机的准确的初始位置，如果接收的卫星导航信号是真实的，那么修正伪距和星地距离应该是基本一致的，或者二者的误差距离小于门限值。否则，由于卫星时钟的虚假或者卫星星历的虚假会反映到修正伪距和星地距离之间有较大的误差距离，可以确定所接收的卫星导航信号为虚假信号，并可以进行虚假导航信号预警提示，例如通过预警指示灯进行闪烁告警、停止定位和/或授时信息输出。对于误差距离小于或等于门限值的情况，可以确定所接收的卫星导航信号为真实信号，执行单元1005存储该星历和卫星时钟。

上述卫星导航信号的虚假检测方法实施例分别介绍了通过导航电文中的历书、星历以及卫星时钟，对卫星导航信号进行虚假检测。为了进一步提高对卫星导航信号虚假检测的概率，提高检测准确度，可以将上述方法组合使用。图11显示了本发明卫星导航信号的虚假检测方法的第六实施例的流程示意图。

步骤S1101是接收卫星导航信号，解析导航电文，获取航电文中的各个参数，如星历、历书、卫星时钟等，然后根据这些不同的参数，分别在步骤S1102进行基于历书的虚假检测，具体实施方法参考图1和图2所示实施例；在步骤S1103进行基于星历的虚假检测，具体实施方法参考图5和图6所示实施例；在步骤S1104进行基于卫星时钟和星历的虚假检测，具体实施方法参考图9所示实施例。并且，步骤S1102、S1103、S1104可以根据需要以择一方式进行，也可以组合使用，例如在步骤S1102不能检测出虚假信号时，为了提高检测概率，再启用步骤S1103或S1104进行检测。再例如选取其中的两种方法同时进行检测，或者使用这三种方法同时进行检测，增强检测准确度。步骤S1105则根据步骤S1102、S1103、S1104的检测方式对检测结果进行综合判断，例如当步骤S1102、S1103、S1104同时进行检测时，在步骤S1105中可以采用其中至少有两种检测方式获得虚假检测结果时，才给出最终有效的虚假检测结果，这样有利于增强虚假检测的准确度。

通过上述方式，本发明卫星导航信号的虚假检测方法及接收机能够基于接收的卫星导航信号中的导航电文内容，通过历书、星历、卫星时钟计算卫星的空间位置、星地距离、修正伪距，计算误差距离，并与参考门限值进行比较，从而判断接收到的卫星导航信号的虚假情况，具有方法多样灵活、具有较高准确度和可信度、实现成本低等优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种卫星导航信号的虚假检测方法，其特征在于，所述虚假检测方法包括：

在接收机开机时，通过所述接收机进行初始定位，根据定位结果获得所述接收机的初始位置；

接收并跟踪卫星导航信号，从所述卫星导航信号中获取星历和卫星时钟，根据所述星历和所述接收机的初始位置，计算所述卫星导航信号对应的卫星的星地距离，根据所述卫星时钟，计算所述卫星的修正伪距，计算所述星地距离与所述修正伪距的误差距离；

判断所述误差距离是否大于门限值；

在所述误差距离大于所述门限值时，确定所述卫星导航信号是虚假信号。

2.根据权利要求1所述的虚假辨别方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

在所述误差距离小于或等于所述门限值时，确定所述卫星导航信号为真实信号，并存储所述星历和所述卫星时钟。

3.根据权利要求1所述卫星导航信号的虚假检测方法，其特征在于，所述初始位置是对连续多次初始定位的定位结果进行均值计算得到的位置。

4.根据权利要求3所述卫星导航信号的虚假检测方法，其特征在于，所述初始定位至少为10次，所述均值计算的门限条件包括：三维精度几何因子<3，卫星数≥5颗，定位解算的最小二乘迭代的残差<0.01，多次初始定位的定位结果之间的经纬度、高程之差<30米。

5.根据权利要求3或4所述卫星导航信号的虚假检测方法，其特征在于，所述初始位置确定后，将所述接收机外部确定的所述接收机的位置参数输入到所述接收机，并对所述初始位置进行校正。

6.根据权利要求1所述卫星导航信号的虚假检测方法，其特征在于，所述门限值为30米。

7.一种卫星导航定位接收机，其特征在于，所述接收机包括：

定位单元，用于所述接收机进行初始定位，根据定位结果计算所述接收机的初始位置；

信号单元，用于接收并跟踪卫星导航信号，从所述卫星导航信号中获取星历和卫星时钟；

计算单元，用于根据所述星历和所述接收机的初始位置，计算星地距离；根据所述卫星时钟，计算修正伪距；计算所述星地距离与所述修正伪距的误差距离；

判断单元，用于判断所述误差距离是否大于门限值；

执行单元，在所述判断单元的判断结果为是时，确定所述卫星导航信号是虚假信号；在判断结果为否时，确定所述卫星导航信号是真实信号，并存储所述星历和所述卫星时钟。

8.根据权利要求7所述的卫星导航定位接收机，其特征在于，所述门限值为30米。

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