CN103954977A - 一种gnss欺骗干扰感知方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS欺骗干扰感知方法和系统，本发明首先利用跟踪环路精确估计已跟踪到卫星信号的观测信息；然后利用观测信息和采样率重构卫星信号的中频数据或相关后数据，在原有中频数据或相关后数据中扣除重构信号；然后，对扣除重构信号后的卫星信号重新进行捕获与跟踪，如果仍能稳定跟踪到该卫星信号，则该卫星信号存在欺骗干扰。本发明可在GNSS接收机内部实现，无需利用外部辅助信息，也无需增加额外设备，不增加GNSS接收机体积，仅利用GNSS接收机内已存在的捕获和跟踪控制单元进行欺骗干扰信号感知，方便推广和应用。

Description

一种GNSS欺骗干扰感知方法和系统

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)技术领域，特别涉及一种GNSS欺骗干扰感知方法和系统。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)是一种星基无线电定位系统，主要包括美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、中国的北斗(BDS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)，以及欧洲的伽利略(Galileo)四大系统。目前，随着地理信息系统和位置服务的迅速发展，GNSS逐步由单纯的军事应用过渡到军民两用，比如在汽车导航、车载监控、移动收费以及个人智能终端等领域都得到了广泛的应用。

在军事电子对抗以及民事监控与收费等与利益和隐私相关的各种应用中，GNSS经常受到各种各样的干扰，其中最为严重和难以处理的是欺骗干扰。欺骗干扰源通过转发延迟的GNSS信号或者直接发送具有虚假参数的GNSS信号，对一定范围内的GNSS接收机实施干扰。当受干扰接收机利用这些信号作为卫星发射的GNSS信号时，会解算出错误位置而受到欺骗甚至控制，因此检测和抑制欺骗干扰，是保障GNSS安全应用的关键技术。

目前，对GNSS欺骗信号的检测主要包括：1)波达方向检测技术：该技术利用天线阵列判断信号的入射方向，当检测到所有卫星信号从同一个方向入射时，说明信号为欺骗信号；2)观测量检测技术：该技术在接收机中利用提取到的多普勒以及解算位置，通过观测值异常进行判断，往往需要惯导系统进行辅助；3)基站辅助技术：该技术通过基站提供相关信息与接收机内的信号进行匹配来判断是否真正的GNSS信号。这些技术在民用中都存在明显的弊端：波达方向检测技术需要利用阵列天线，因此接收机体积和成本都有严格的要求，而且，当欺骗信号从不同的方向入射时，该方法效果较差；观测量检测技术更多的时候只能判断接收机异常，而对欺骗的确定较为困难，而且往往需要额外的惯性传感器；基站辅助技术则要求基站的支持并能实时通信，另外，在干扰严重时，基站也同样可能受到干扰而使得该技术失效。

发明内容

针对GNSS接收机容易受到欺骗干扰影响以及现有技术存在的各种不足，本发明提供了一种无需任何外来辅助信息和增加设备的GNSS欺骗信号感知方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种GNSS欺骗干扰感知方法，包括步骤：

步骤1，将接收的卫星信号转化为原始数字中频信号，对原始数字中频信号进行相关、捕获和跟踪获得已跟踪到的卫星信号的观测信息；

步骤2，对已跟踪到的各卫星信号a依次进行如下操作：

根据观测信息对卫星信号a进行重构获得卫星信号a的重构信号，从原始数字中频信号中扣除卫星信号a的重构信号获得新数字中频信号；对新数字中频信号重新进行相关、捕获和跟踪，如果仍能稳定跟踪到卫星信号a，则卫星信号a存在欺骗干扰。

作为优选，在执行步骤2前，对所有已跟踪到的卫星信号按载噪比大小进行排序，并按载噪比从大到小的顺序对已跟踪到的卫星信号顺次执行步骤2。

二、另一种GNSS欺骗干扰感知方法，包括步骤：

步骤1，将接收的卫星信号转化为原始数字中频信号，对原始数字中频信号进行相关、捕获和跟踪获得已跟踪到的卫星信号的观测信息；

步骤2，对已跟踪到的各卫星信号a依次进行如下操作：

对卫星信号a重新进行相关获得卫星信号a的相关结果，根据卫星信号a的观测信息和相关结果，分别重构所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号获得卫星信号a的重构相关信号；从卫星信号a的相关结果中扣除卫星信号a的重构相关信号获得新相关信号，对新相关信号重新进行捕获和跟踪，如果仍能稳定跟踪到卫星信号a，则卫星信号a存在欺骗干扰。

作为优选，在执行步骤2前，对所有已跟踪到的卫星信号按载噪比大小进行排序，并按载噪从大到小的顺序对已跟踪到的卫星信号顺次执行步骤2。

步骤2中所述重构所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号获得卫星信号a的重构相关信号，具体为：

采用所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的码发生器产生信号值，利用乘法器将所有已跟踪到卫星信号对应的信号值分别与卫星信号a对应的信号值相乘，对相乘后的各信号值幅度和相位进行调整，将幅度和相位调整后的信号值求和，即重构了所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号；

所述的对相乘后的各信号值幅度和相位进行调整，调整后的信号值表示为：

$\mathrm{complex}\left(x\right)=X\sin c\left(f_{x}T\right)e^{j[2\mathrm{\π}{f}_x(t+T/2)+{\mathrm{\θ}}_x]}$

其中，X表示已跟踪到卫星信号x对应的信号值幅度；f_x为已跟踪到卫星信号x与卫星信号a对应的信号值的频率偏差；θ_x为已跟踪到卫星信号x与卫星信号a对应的信号值的相位偏差；T为相干积分时间，t是当前时刻。

作为优选，步骤2中所述的对新相关信号重新进行捕获和跟踪，其中信号捕获阶段不从卫星信号a的相关结果中扣卫星信号a的除重构相关信号，直接对卫星信号a的相关结果进行捕获，并将卫星信号a的重构相关信号加在原有门限上。

三、一种GNSS欺骗干扰感知系统，在GNSS接收机基带处理单元的数字中频信号预处理单元与相关通道间设置相关前欺骗干扰处理单元，相关前欺骗干扰处理单元用来根据观测信息对已跟踪到卫星信号进行重构并从数字中频信号预处理单元输出的原始数字中频信号中扣除重构信号。

上述相关前欺骗干扰处理单元还包括载噪比排序模块，用来根据载噪比大小对已跟踪到的卫星信号进行排序。

四、另一种GNSS欺骗干扰感知系统，在GNSS接收机基带处理单元的相关通道与捕获与跟踪控制单元间设置相关后欺骗干扰处理单元，相关后欺骗干扰处理单元用来根据已跟踪到卫星信号的观测信息和相关结果，分别重构所有已跟踪到卫星信号和各已跟踪到卫星信号的相关信号获得各已跟踪到卫星信号对应的重构相关信号，从各已跟踪到卫星信号的相关结果中扣除对应的重构相关信号。

上述相关前欺骗干扰处理单元还包括载噪比排序模块，用来根据载噪比大小对已跟踪到的卫星信号进行排序。

将本发明用于GNSS接收机中，当GNSS接收机重启或者某颗卫星信号失锁而进行重新捕获时，对该失锁卫星信号的欺骗干扰检测应在大范围的多普勒和码相位中进行；在GNSS接收机正常工作过程中，对已经锁定卫星信号的定期欺骗干扰检测则可以在小范围的多普勒和码相位区间进行。当GNSS接收机感知到多个卫星信号参数时，可认为其中一套参数为欺骗干扰信号，这些参数可为后续利用其他方式进行欺骗信号的检测和消除提供参考。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、可在GNSS接收机内部实现，无需利用外部辅助信息，也无需增加额外设备，不增加GNSS接收机体积，仅利用GNSS接收机内已存在的捕获和跟踪控制单元进行欺骗干扰信号感知，方便推广和应用。

2、形式灵活，可在GNSS接收机内部实现但不局限于此，也可在其他任意系统中实现，并能与现有欺骗干扰信号检测技术结合使用，从而有效提高检测性能。

附图说明

图1是本发明欺骗干扰感知接收机系统的第一种具体结构图；

图2是相关前欺骗干扰处理单元结构图；

图3是本发明欺骗干扰感知接收机系统的第二种具体结构图；

图4是相关欺骗干扰处理单元结构图；

图5是相关信号重构过程示意图。

具体实施方式

本发明通过在GNSS接收机基带部分增加欺骗干扰处理单元来实现欺骗干扰信号感知，该欺骗干扰处理单元在原始信号中扣除已跟踪到的卫星信号，GNSS接收机对扣除后的信号重新进行捕获与跟踪，通过检测是否仍能稳定跟踪到已扣除卫星信号来判断欺骗干扰是否存在。

见图1和图3，GNSS接收机包括射频前端(102，302)和基带处理单元(104，304)两部分。射频前端(102，302)主要将GNSS天线(101，301)接收到的射频信号依次进行滤波、下混频和采样处理，为基带处理单元(104，304)提供数字中频信号(103，303)。

GNSS接收机现有的基带处理单元(104，304)主要包括数字中频信号预处理单元(105，305)、相关通道(109，309)、捕获与跟踪控制单元(110，310)以及解算处理单元(113，313)。数字中频信号预处理单元(105，305)主要根据接收机的需要对射频前端(102，302)输出的数字中频信号进行滤波、降采样、AGC控制以及缓存等；相关通道(109，309)主要利用相关器实现对每颗卫星信号的载波剥离和码剥离；捕获与跟踪控制单元(110，310)首先通过控制相关器实现卫星信号捕获，接着利用锁相环等手段精确估计各颗卫星信号的码相位、载波多普勒、载波相位以及导航bit信息，并跟踪卫星信号的动态变化，输出伪距和多普勒等观测信息；解算处理单元(113，313)利用捕获与跟踪控制单元(110，310)输出的观测信息实现定位解算。

本发明基于现有GNSS接收机，在GNSS接收机的基带处理单元(104，304)增加欺骗干扰处理单元，根据欺骗干扰处理单元在基带处理单元(104，304)的位置，欺骗干扰处理单元可分为相关前欺骗干扰处理单元(107)和相关后欺骗干扰处理单元(309)

本发明欺骗干扰感知接收机系统的第一种具体结构见图1，相关前欺骗干扰处理单元(107)位于数字中频信号预处理单元(105)与相关通道(109)间。GNSS接收机工作过程中，除执行常规性操作外，还利用相关前欺骗干扰处理单元(107)对数字中频信号预处理单元(105)缓存的数字中频信号进行欺骗干扰检测。图1中所示的欺骗干扰感知接收机的工作流程如下：

1.1首先，相关前欺骗干扰处理单元(107)对数字中频信号预处理单元(105)输出的中频信号(106)不进行任何处理，捕获与跟踪控制单元(110)精确估计各颗卫星信号的载噪比、幅值、载波频率、载波相位、码率、码相位以及数据比特等观测信息(115)，并将这些观测信息(115)传入相关前欺骗干扰处理单元(107)。

1.2相关前欺骗干扰处理单元(107)根据接收的观测信息(115)和采样率对已跟踪到的卫星信号进行重构获得重构信号(203)，见图2。

1.3相关前欺骗干扰处理单元(107)从数字中频信号预处理单元(105)输出的数字中频信号(106)中扣除重构信号(203)，产生新中频信号(108)并输出。

1.4相关通道(109)和捕获与跟踪控制单元(110)对新中频信号(108)重新进行搜索与跟踪；如果仍能稳定跟踪到已扣除重构信号对应的卫星信号，表明接收信号中检测出两颗相同的卫星的信号，即该颗卫星存在欺骗干扰。

作为优选，在步骤1.2执行前，相关前欺骗干扰处理单元(105)可首先对跟踪到的卫星信号按照载噪比大小进行排序，然后，按照载噪比从大到小的顺序对对应的卫星信号顺次进行重构、扣除和欺骗干扰检测，这样，相关前欺骗干扰处理单元(107)每次仅需重构和扣除载噪比高于该颗卫星的信号。

本发明欺骗干扰感知接收机系统的第二种具体结构见图3，相关后欺骗干扰处理单元(309)位于相关通道(309)和捕获与跟踪控制单元(310)间。GNSS接收机工作过程中，除执行常规性操作外，还利用相关后欺骗干扰处理单元(307)对相关通道(309)的相关结果进行欺骗干扰检测。图3所示的欺骗干扰感知接收机系统的具体执行流程如下：

2.1首先，相关后欺骗干扰处理单元(307)对相关通道(309)输出的相关信号(308)不进行任何处理，捕获与跟踪控制单元(310)根据相关信号(308)精确估计各颗卫星信号的载噪比、幅值、载波频率、载波相位、码率、码相位以及数据比特等观测信息(315)，并将这些观测信息(315)传入相关后欺骗干扰处理单元(307)。

2.2相关通道(309)对已跟踪到的卫星信号重新进行相关，并将相关通道(309)的相关结果(308)输入相关后欺骗干扰处理单元(307)。假设此时对编号PRN k的已跟踪到卫星信号进行重新相关，下面步骤均以PRN k卫星信号的相关结果进行说明。

2.3相关后欺骗干扰处理单元(307)利用捕获与跟踪控制单元(310)输出的观测信息(315)和相关通道(309)输出的相关结果(308)，重构所有已跟踪到的卫星信号与PRN k卫星信号的相关信号获得重构相关信号(404)，见图4。

本步骤中相关信号的重构过程见图5，具体步骤如下：

当检测卫星信号m是否存在欺骗干扰时，需重构卫星信号m与其余卫星信号(即图5中卫星信号A、B……)的相关信号。此时，利用GNSS接收机中已有的卫星信号m对应的码发生器(501)、卫星信号A对应的码发生器(502)、卫星信号B对应的码发生器(505)分别产生信号值；然后利用乘法器(503、506)将卫星信号A和B对应的信号值分别与卫星信号m对应的信号值相乘，并通过幅度和相位调整器(504、507)调整相乘后的信号值的幅度和相位，并对幅度和相位调整后的信号值求和，即重构了卫星信号A和B与卫星信号m的相关信号。

幅度和相位调整器(504、507)利用输入关后欺骗干扰处理单元(307)输入信号幅度、多普勒及相位产生，公式如下：

$\mathrm{complex}\left(A\right)=A\sin c\left(f_{x}T\right)e^{j[2\mathrm{\π}{f}_A(t+T/2)+{\mathrm{\θ}}_A]}---\left(1\right)$

$\mathrm{complex}\left(B\right)=B\sin c\left(f_{B}T\right)e^{j[2\mathrm{\π}{f}_B(t+T/2)+{\mathrm{\θ}}_B]}---\left(2\right)$

其中，complex(A)和complex(B)表示调整后的信号值；A、B分别为卫星信号A和B对应的信号发生器产生的信号值幅度；f_A和f_B分别为卫星信号A和B对应的信号发生器产生的信号值与卫星信号m对应的信号发生器产生的信号值的频率偏差；θ_A和θ_B分别为卫星信号A和B对应的信号发生器产生的信号值与卫星信号m对应的信号发生器产生的信号值的相位偏差；T为相干积分时间，t是当前时刻。

2.4相关后欺骗干扰处理单元(307)从相关通道(309)输出的PRN k卫星信号的相关结果(308)中扣除重构相关信号(404)，产生新相关信号(311)并输出至捕获与跟踪控制单元(310)。

2.5捕获与跟踪控制单元(310)对新相关信号(311)进行搜索与跟踪，如果仍能稳定跟踪到已扣除的卫星信号，表明GNSS接收信号中检测出两颗相同的卫星的信号，即该颗卫星存在欺骗干扰。

本步骤中信号捕获阶段，可直接对相关通道(309)的相关结果(308)进行捕获，而不扣除重构相关信号(404)，此时，将重构相关信号(404)加在原有门限上。

作为优选，在步骤2.3执行前，相关后欺骗干扰处理单元(307)可首先对跟踪到的卫星信号按照载噪比大小排序，然后，按照载噪比从大到小的顺序对对应的卫星信号进行相关重构、扣除和欺骗干扰检测，这样，相关后欺骗干扰处理单元(307)每次仅需重构和扣除载噪比高于PRN k的信号。

上述具体实施中，GNSS接收机重启或者某颗卫星信号失锁而进行重新捕获时，对卫星是否存在欺骗的检测应在大范围的多普勒和码相位中进行；在GNSS接收机正常工作过程中，对已锁定卫星的定期检测则可以在小范围的多普勒和码相位区间进行捕获。

上述具体实施中，当GNSS接收机感知到多个卫星信号参数时，可认为其中一套参数为欺骗干扰信号，这些欺骗干扰信号参数可为后续利用其他方式进行欺骗干扰信号检测和消除提供参考。

本发明强调的是一种欺骗干扰信号感知方法，其具体实施可在任意系统中进行，如专门的欺骗信号检测系统，而不局限于现有GNSS接收机系统。

Claims (10)

1.一种GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将接收的卫星信号转化为原始数字中频信号，对原始数字中频信号进行相关、捕获和跟踪获得已跟踪到的卫星信号的观测信息；

步骤2，对已跟踪到的各卫星信号a依次进行如下操作：

根据观测信息对卫星信号a进行重构获得卫星信号a的重构信号，从原始数字中频信号中扣除卫星信号a的重构信号获得新数字中频信号；对新数字中频信号重新进行相关、捕获和跟踪，如果仍能稳定跟踪到卫星信号a，则卫星信号a存在欺骗干扰。

2.如权利要求1所述的GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于：

在执行步骤2前，对所有已跟踪到的卫星信号按载噪比大小进行排序，并按载噪比从大到小的顺序对已跟踪到的卫星信号顺次执行步骤2。

3.一种GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将接收的卫星信号转化为原始数字中频信号，对原始数字中频信号进行相关、捕获和跟踪获得已跟踪到的卫星信号的观测信息；

步骤2，对已跟踪到的各卫星信号a依次进行如下操作：

对卫星信号a重新进行相关获得卫星信号a的相关结果，根据卫星信号a的观测信息和相关结果，分别重构所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号获得卫星信号a的重构相关信号；从卫星信号a的相关结果中扣除卫星信号a的重构相关信号获得新相关信号，对新相关信号重新进行捕获和跟踪，如果仍能稳定跟踪到卫星信号a，则卫星信号a存在欺骗干扰。

4.如权利要求3所述的GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于：

在执行步骤2前，对所有已跟踪到的卫星信号按载噪比大小进行排序，并按载噪从大到小的顺序对已跟踪到的卫星信号顺次执行步骤2。

5.如权利要求3所述的GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于：

所述重构所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号获得卫星信号a的重构相关信号，具体为：

采用所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的码发生器产生信号值，利用乘法器将所有已跟踪到卫星信号对应的信号值分别与卫星信号a对应的信号值相乘，对相乘后的各信号值幅度和相位进行调整，将幅度和相位调整后的信号值求和，即重构了所有已跟踪到的卫星信号和卫星信号a的相关信号；

所述的对相乘后的各信号值幅度和相位进行调整，调整后的信号值表示为：

$\mathrm{complex}\left(x\right)=X\sin c\left(f_{x}T\right)e^{j[2\mathrm{\π}{f}_x(t+T/2)+{\mathrm{\θ}}_x]}$

其中，X表示已跟踪到卫星信号x对应的信号值幅度；f_x为已跟踪到卫星信号x与卫星信号a对应的信号值的频率偏差；θ_x为已跟踪到卫星信号x与卫星信号a对应的信号值的相位偏差；T为相干积分时间，t是当前时刻。

6.如权利要求3所述的GNSS欺骗干扰感知方法，其特征在于：

步骤2中所述的对新相关信号重新进行捕获和跟踪，其中信号捕获阶段不从卫星信号a的相关结果中扣卫星信号a的除重构相关信号，直接对卫星信号a的相关结果进行捕获，并将卫星信号a的重构相关信号加在原有门限上。

7.一种GNSS欺骗干扰感知系统，其特征在于：

在GNSS接收机基带处理单元的数字中频信号预处理单元与相关通道间设置相关前欺骗干扰处理单元，相关前欺骗干扰处理单元用来根据观测信息对已跟踪到卫星信号进行重构并从数字中频信号预处理单元输出的原始数字中频信号中扣除重构信号。

8.如权利要求7所述的GNSS欺骗干扰感知系统，其特征在于：

所述的相关前欺骗干扰处理单元还包括载噪比排序模块，用来根据载噪比大小对已跟踪到的卫星信号进行排序。

9.一种GNSS欺骗干扰感知系统，其特征在于：

在GNSS接收机基带处理单元的相关通道与捕获与跟踪控制单元间设置相关后欺骗干扰处理单元，相关后欺骗干扰处理单元用来根据已跟踪到卫星信号的观测信息和相关结果，分别重构所有已跟踪到卫星信号和各已跟踪到卫星信号的相关信号获得各已跟踪到卫星信号对应的重构相关信号，从各已跟踪到卫星信号的相关结果中扣除对应的重构相关信号。

10.如权利要求9所述的GNSS欺骗干扰感知系统，其特征在于：

所述的相关前欺骗干扰处理单元还包括载噪比排序模块，用来根据载噪比大小对已跟踪到的卫星信号进行排序。