CN103713297B - 一种基于ins辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法 - Google Patents

Abstract

一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，本发明利用INS提供的位置和速度信息，对欺骗式干扰分两个步骤进行剔除：首先，根据卫星仰角剔除不可见星；然后，利用卫星星历信息和INS提供的位置、速度信息，推算出真实的可见卫星和其相对接收机的伪距和伪距变化率曲线，将其和通道中接收到的卫星解算伪距和伪距率进行比较，可以有效剔除不符合条件的卫星信号。本发明克服了传统的卫星导航抗欺骗式干扰需要预知信号类型并针对不同类型的欺骗式干扰信号采用不同的抗干扰方法，扩大了算法的适用性、减小了算法的复杂性，从而更适用于复杂的欺骗式干扰环境。

Description

一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法

技术领域

本发明涉及一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，主要针对卫星导航接收机在复杂欺骗式干扰环境下工作时不能正常定位或者定位错误的问题，解决卫星导航接收机抗欺骗式干扰的问题和难点，提高卫星导航接收机的抗干扰性能和应用范围。

背景技术

卫星导航系统的干扰主要有压制式干扰和欺骗式干扰。欺骗式干扰是针对卫星导航接收机工作特性以及其存在的薄弱环节，给出虚假导航信息或者增加信号传播时延，以较隐蔽的方式对卫星导航系统进行干扰。欺骗式干扰有多重变化形式，目前主要有转发式干扰和生成时干扰。目前，生成欺骗式干扰信号的方法有很多种，其中很多都易于实现，给卫星导航接收机的正常工作造成了一定的威胁。

很多学者根据不同的欺骗式干扰信号和不同的应用环境，给出了相应的抗欺骗式干扰方法。

转发式干扰是将卫星导航信号重新广播出去，制造出一个虚假的卫星信号，使接收机出现错误解码。由于转发信号是由正常信号转发而来，转发信号走过的路径长，因此其伪距大，码相位相对正常信号要相对滞后。当干扰信号为转发式干扰时，接收机捕获到的正常卫星信息和干扰卫星信息的多普勒是一致的，传统的抗转发式干扰方法利用两个通道对两组卫星信息同时进行捕获和跟踪，然后进行码相位判断，将码相位滞后的那个通道的导航信息作为干扰信号剔除掉。该方法针对转发式干扰效果显著，但需要占用通道处理的计算资源较大。

产生式干扰是由干扰机产生并发射出与真实卫星信号相同的无线信号来欺骗接收机，使其出现错误解码。生成式干扰的情况比较复杂，一般正常信号和生成式干扰信号的时间系统不一致，实际应用时，生成式干扰常见为以下两种情况：①生成不可见星信号。这种情况可根据接收机存储的历书，排除虚假的可见星。②生成伪可见卫星信号。如果只有1颗伪可见卫星，可通过RAIM算法进行剔除。若生成伪卫星大于1颗，该方法则难以对其进行剔除。

在实际应用中，欺骗式干扰环境复杂，干扰类型并不单一，并且很难提前知道干扰信号的特点，所以传统的单一的办法难以将欺骗式干扰信号完全剔除。所以需要设计一种在干扰信号性能未知的情况下的抗欺骗式干扰方法，使得接收机能够有效排除各类欺骗式干扰信息，从而正常工作。

发明内容

本发明的技术解决问题：提出一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰的方法，克服了传统的卫星导航抗欺骗式干扰需要预知信号类型并针对不同类型的欺骗式干扰信号采用不同的抗干扰方法，扩大了算法的适用性、减小了算法的复杂性，从而更适用于复杂的欺骗式干扰环境。

本发明的技术解决方案：一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰的方法，根据卫星仰角剔除不可见星，剔除不可见星后，再根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出的伪距和伪距变化率曲线，与卫星导航接收机的伪距、伪距率测量值进行对比，剔除不符合正常运动轨迹的干扰卫星信号。

剔除不可见星是利用存储的历书提供卫星的位置和INS所提供的位置计算出每颗卫星的仰角的余弦值，将余弦值小于零的卫星信号剔除。

剔除不符合运动轨迹卫星的步骤包括：a、根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出卫星号为i的伪距和伪距变化率曲线的时间序列；b、找出卫星号均为i的一对通道，利用接收机测得的伪距、伪距率组成两组时间序列；c、将步骤a、b中的时间序列中的序列野值剔除；d、利用可调节因子λ的经验值1.7-2.5，将野值剔除处理后的时间序列中解算值和真实值差异大的序列剔除，来剔除伪距不合理的信号；e、将根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出的距变化率曲线，与卫星导航接收机的伪距率测量值进行对比,将伪距变化率不一致的伪可见卫星信号剔除；f、重复以上步骤，依次处理通道内其它卫星信号，至所有卫星信号处理完。

剔除不符合运动轨迹卫星的步骤中，对伪距、伪距率序列采用了窗口滑动标准方差判断法剔除序列野值，另外，根据不同的信号强度，利用可调节因子λ进行门限比例调整。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明采用INS辅助卫星导航接收机抗欺骗式抗扰方法，既提高了卫星导航接收机的抗欺骗式干扰性能，又增强了系统的可靠性。

（2）本发明在进行卫星信号判断时先使用可见星仰角判断法剔除不可见星，不但可以有效剔除一部分虚假的卫星信号，而且避免了后续通道信息计算判断，减少了整个算法的计算量。

（3）本发明首次提出根据INS提供的信息和星历信息计算出的伪距和伪距变化率曲线和卫星导航接收机的伪距、伪距率测量值进行对比，从而剔除不符合正常运动轨迹的干扰卫星信号，既可以有效剔除转发式干扰又可以有效剔除生成式干扰，并且不需要预知欺骗式干扰信号的类型，提高了卫星导航接收机抗欺骗式干扰功能性能和应用范围。

附图说明

图1为INS辅助下的抗欺骗式干扰流程；

图2为可见星区域示意图。

具体实施方式

本发明的技术解决的问题是：解决在复杂欺骗式干扰环境下卫星导航接收机抗欺骗式干扰的问题和难点，提高卫星导航接收机的抗干扰性能和应用范围。

本发明的技术解决方案是：设计一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法。该方法利用INS提供的位置和速度信息，对欺骗式干扰进行分两个步骤进行剔除：首先，根据卫星仰角剔除不可见星；然后，利用卫星星历信息和INS提供的位置速度信息，推算出真实的可见卫星和其相对接收机的伪距和伪距变化率曲线，将其和通道中接收到的卫星解算伪距和伪距率进行比较，可以有效剔除不符合条件的卫星信号。进一步优选的方式包括：（1）、总体方案；（2）剔除不可见星；（3）剔除不符合运动轨迹的卫星信号。

（1）总体方案

本发明设计的基于INS辅助的抗欺骗式干扰方法如图1所示。该方法利用INS提供的位置和速度信息，对欺骗式干扰进行分两个步骤进行剔除。首先，根据卫星仰角剔除不可见星。由于星历信息在一定时间内不会进行更新变化，所以可以利用存储的历书提供卫星的位置和INS所提供的位置计算出每颗卫星的仰角的余弦值，判断当前卫星是否均在水平面以上，若不在，则认为不是实际的可见星，不予捕获，这样可以剔除一部分欺骗式干扰信号。其次，剔除不符合正常运动轨迹的卫星。由于在用户运动轨迹一定时，用户和正常卫星的相对速度是一定的，所以接收机的伪距变化率曲线也是一定的。所以可以根据INS提供的信息和星历信息计算出的伪距和伪距变化率曲线，与接收机实际测量的伪距和伪距率进行对比，若一致则为正常信号，若不一致则该通道内的卫星导航信息为欺骗式干扰信号，予以剔除。

（2）剔除不可见星

假设接收机天线垂直所在位置的地球切平面上，且只能接受地球半球面空间的卫星信号。如图2所示，当卫星S_i、接收机A、地心O三点连线夹角α_i大于等于90度，认为该卫星可见，即当cosα_i<0时，卫星可见。

接收机A的位置(x,y,z)由INS提供。卫星S_i的位置可由星历解算得到，解算时需要提供用户当前的绝对时间t，而INS只能提供相对时间，所以该方法需要已知某时刻INS和接收机时间对准时用户的绝对时间t₀，所以

t=t₀+(t_INS-t_INS0) （1）

其中，t_INS0为INS与接收机时间对准时INS输出的时间，t_INS为当前INS输出的时间。

在ECEF坐标系下，根据余弦定理，有

$\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{{\left(\mathrm{OA}\right)}^2+{\left({\mathrm{AS}}_i\right)}^2-{\left({\mathrm{OS}}_i\right)}^2}{2*\mathrm{OA}*{\mathrm{AS}}_i}---\left(2\right)$

其中，i代表卫星号，

$\mathrm{OA}=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$

${\mathrm{OS}}_i=\sqrt{x_{S_i}^2+y_{S_i}^2+z_{S_i}^2}$

${\mathrm{AS}}_i=\sqrt{{(x-x_{S_i})}^2+{(y-y_{S_i})}^2+{(z-z_{S_i})}^2}$

因此，只需要判断式(3)是否成立，若不成立，则当作欺骗式干扰剔除掉。该步骤可以剔除生成的不可见星信号。

$x(x-x_{S_i})+y(y-y_{S_i})+z\left({z-z}_{S_i}\right)<0---\left(3\right)$

（3）剔除不符合运动轨迹的卫星

将不可见星剔除后，欺骗式干扰信号中的伪可见星信号和转发式干扰信号还会进入通道，在定位解算前还需将其剔除掉。

根据INS的测量信息和卫星星历信息，可以解算出每个通道一段时间内的伪距ρ_{I_i}和伪距率其中i代表卫星号。

${\mathrm{\&rho;}}_{I\_i}=\sqrt{{(x-x_{S_i})}^2+{(y-y_{S_i})}^2+{(z-z_{S_i})}^2}---\left(4\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_{I\_i}=e_{1i}(v_x-v_{x{s}_i})+e_{2i}(v_y-v_{{\mathrm{ys}}_i})+e_{3i}(v_z-v_{{\mathrm{zs}}_i})---\left(5\right)$

其中,

$e_{1i}=\frac{x-x_{s_i}}{r_i},e_{2i}=\frac{y-y_{s_i}}{r_i},e_{3i}=\frac{z-z_{s_i}}{r_i}$

且，

r_i=ρ_{I_i}。

其中，INS提供接收机的位置(x,y,z)和位置(v_x,v_y,v_z)。卫星的位置和速度可通过存储的星历和INS提供的时间解算。

以ρ_{I_i}和为基准，判断接收机每个通道中接收到的第i颗卫星的伪距ρ_i和伪距率是否合理。若伪距不合理，则可以剔除转发式干扰信号，若伪距率不合理，则可以提出生成的伪卫星信号。具体的判断步骤如下：

①利用式(4)和(5)分别计算出第i颗卫星的伪距和伪距率的时间序列ρ_{I_i}(k)和其中k=1，2…N,代表脉冲计时时刻。

②找出卫星号均为i的一对通道，利用接收机测得的伪距、伪距率组成两组时间序列ρ_i1(k)，和ρ_i2(k)，其中k=1，2…N。

③将上述的各个序列进行野值剔除处理。

设C(k)为一个长度为N的序列，则上述伪距、伪距率时间序列均可以用C(k)表示。C_k为C(k)中的第k个元素，利用宽度为M的窗口函数和剔除因子为η的方差法对C(k)进行野值剔除，η一般取2.5～5，序列中需要剔除的元素满足下列条件：

$\left|A_k\right|>\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\mathrm{sprt}\left[\frac{1}{M-1}\underset{j=k-M+1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A_k}^2\right]$

其中，

$A_k=|C_k-\frac{1}{M}\underset{k=j-M+1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_k|$

④剔除伪距不合理的卫星信号。

将野值剔除处理后的时间序列ρ'_i1(k)、ρ'_i2(k)和ρ'_{I_i}(k)分别按照时间对准以后求两个序列的方差D_i,j，j=1,2，i为卫星号。B(k)={B₁(k),B₂(k)}={ρ'_i1(k),ρ'_i2(k)}

其中，k=1,2....P_ij，

P_ij=min{length(ρ'_ij(k)),length(ρ'_{I_i}(k))}

B_jk,ρ'_Ik分别为B_j(k)和ρ'_{I_i}(k)的第k个元素，则：

$D_{i,j}=\frac{1}{P_{\mathrm{ij}}}\underset{k=1}{\overset{P_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(B_{\mathrm{jk}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{Ik}}^{\&prime;})}^2---\left(6\right)$

正常卫星的D_i,j应满足：

$D_{i,j}<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{P_{\mathrm{ij}}}\underset{k=1}{\overset{P_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{IK}}^{\&prime;}-\frac{1}{P_{\mathrm{ij}}}\underset{k=1}{\overset{P_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{IK}}^{\&prime;})}^2---\left(7\right)$

其中，λ为调节因子，经验值为1.7～2.5.不满足上式的通道作为欺骗式信号剔除掉。由于转发式干扰会在码相位上有延时从而导致伪距解算值和真实值差异过大，这一步可以将其剔除掉。

⑤剔除伪距率不合理的卫星信号。

利用类似上一步的方法可以剔除伪距率不合理的卫星。由于生成的伪可见卫星信号和实际的可见卫星运动轨迹不可能完全一致，导致接收机测得伪距的变化曲线也不能完全一致，而伪距率可以描述伪距变化曲线的走势，所以剔除伪距率不合理的卫星信号就可以将其生成的伪可见卫星信号剔除。

⑥改变i的值，从步骤2开始重复以上步骤，直到通道内没有重复的卫星号为至。

Claims (4)

1.一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，根据卫星仰角剔除不可见星，其特征在于：剔除不可见星后，再根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出的伪距和伪距变化率曲线，与卫星导航接收机的伪距、伪距率测量值进行对比，剔除不符合正常运动轨迹的干扰卫星信号，剔除不符合运动轨迹卫星的步骤包括：a、根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出卫星号为i的伪距和伪距变化率曲线的时间序列；b、找出卫星号均为i的一对通道，利用接收机测得的伪距、伪距率组成两组时间序列；c、将步骤a、b中的时间序列中的序列野值剔除；d、利用可调节因子λ的经验值1.7-2.5，将野值剔除处理后的时间序列中解算值和真实值差异大的序列剔除，来剔除伪距不合理的信号；e、将根据INS提供的位置、速度信息和星历信息计算出的伪距变化率曲线，与卫星导航接收机的伪距率测量值进行对比,将伪距变化率不一致的伪可见卫星信号剔除；f、重复以上步骤，依次处理通道内其它卫星信号，至所有卫星信号处理完；

所述步骤e中剔除伪距不合理的信号的判断条件为：正常卫星接收通道测量的伪距时间序列和INS计算的伪距时间序列间的方差D_i,j应满足下式：

$D_{i,j}<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{P_{ij}}\underset{k=1}{\overset{P_{ij}}{\&Sigma;}}{({\mathrm{\&rho;}}_{Ik}^{\&prime;}-\frac{1}{P_{ij}}\underset{k=1}{\overset{P_{ij}}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&rho;}}_{Ik}^{\&prime;})}^2$

式中，λ为调节因子，经验值为1.7～2.5，不满足上式的通道作为欺骗式信号剔除掉。

2.根据权利要求1所述的一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，其特征在于剔除不可见星是利用存储的历书提供卫星的位置和INS所提供的位置计算出每颗卫星的仰角的余弦值，将余弦值小于零的卫星信号剔除。

3.根据权利要求1所述的一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，其特征在于：剔除不符合运动轨迹卫星的步骤中，对伪距、伪距率序列采用了窗口滑动标准方差判断法剔除序列野值。

4.根据权利要求1所述的一种基于INS辅助的卫星导航抗欺骗式干扰方法，其特征在于：剔除不符合运动轨迹卫星的步骤中，根据不同的信号强度，利用可调节因子λ进行门限比例调整。