CN104280749A - 基于soc的北斗导航系统接收机抗攻击系统及其抗攻击方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，包括射频模块，该射频模块设置有用于接收卫星信号的天线，射频模块将天线接收到的信号降频和AD采样后将数字低频信号发送至基带处理模块；基带处理模块，该基带处理模块包括：用于将数字中频降到0中频附近的数字预下变频模块；用于快速捕获卫星的频率和码相位的快捕模块；用于识别强信号和弱信号，从而控制工作在强信号跟踪模式或弱信号跟踪模式的跟踪模块；解决了当接收机处于高动态状态下，由于多普勒频移所导致相位偏移，过长时间的捕获会导致卫星捕获失败的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统及其抗攻击方法。
背景技术
目前国内关于北斗2代基带处理模块的算法模型主要是基于GPS的L1波段的经验，其是对载波相位和测距码相位的捕获，对于北斗2代中加入的二次编码Neumann-Hoffman 码（以下简称NH 码）通常做了: 1、简单的异或运算来剥离掉NH码；2、对在搜索完测距码后再通过本地NH码与解扩解调后的信号通过相关积分来获得NH码相位。
其存在如下技术问题：
1、NH码在捕获过程中没有使用，因此未能利用NH码在对微弱信号捕获中的作用；
2、因为NH码的周期为20ms，即使确定NH码头位置后也要做20×20ms时长的搜索，而且当接收机处于高动态状态下，由于多普勒频移所导致相位偏移，过长时间的捕获会导致卫星捕获失败，因此存在捕获时间太长的缺陷。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种抗攻击能力强，安全性高的基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，本发明还公开了基于该系统的抗攻击方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，其特征在于，包括
射频模块，该射频模块设置有用于接收卫星信号的天线，射频模块将天线接收到的信号降频和AD采样后将数字低频信号发送至基带处理模块；
基带处理模块，该基带处理模块包括：
用于将数字中频降到0中频附近的数字预下变频模块；
用于快速捕获卫星的频率和码相位的快捕模块；
用于识别强信号和弱信号，从而控制工作在强信号跟踪模式或弱信号跟踪模式的跟踪模块；
还包括处理器（即CPU），处理器用于完成基带处理模块初始化，对基带处理模块发送出的数据进行分析和反馈控制。
所述快捕模块包括基于码相位并行捕获模块和捕获结果分析模块；
所述基于码相位并行捕获模块以固定频率作为频率间隔得到该频率点所有相位的相关值并输出至捕获结果分析模块；
所述捕获结果分析模块接收所述基于码相位并行捕获模块输出的信号，并对接收到的信号进行分析实现抗攻击和弱信号判别，并将结果通过总线输出至处理器。
所述捕获结果分析模块包括比较模块、信噪比计算模块和串行输出模块；
所述捕获结果分析模块用于接收频率点、相关值和码相位信号，并对信号处理后输出噪声能量信号至信噪比计算模块；
所述信噪比计算模块用于计算得到的信号的信噪比，并与阈值比较判断出强信号、弱信号或无效信号，并将信号打包为数据包发送至处理器；
所述串行输出模块用于按顺序输出数据包，并缓存待发送数据包。
所述跟踪模块包括码NCO模块、载波NCO模块、旋转下变频模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、伪距测量模块、NH码产生模块和导航电文同步解码模块；
所述载波NCO模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、NH码产生模块分别与所述处理器通信。
基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击方法，采用基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，
按照如下步骤进行：
S1：配置射频模块；
S2：控制基带处理模块复位；
S3：判断是否为冷启动；
如果判断为冷启动，优先选择四颗卫星信号；
如果判断不为冷启动，选择最近一次选择的四颗卫星信号；
S4：控制将选择的卫星信号的参数送入快捕模块；
S5：接收快捕模块输出的数据包；
S6：准备跟踪通道并将跟踪卫星数据分别送入跟踪模块；
S7：识别接收到的卫星信号强弱标志；
S8：配置跟踪模块控制信号至强模式或弱模式；
S9：设置跟踪模块的频率和相位位置；
S10：接收相关器模块的相关值；
S11：判断是否到达跟踪阈值；
如没到达跟踪阈值，则返回步骤S10；
如到达跟踪阈值，则进行步骤S12；
S12：控制导航电文同步解码模块工作；
S13：判断指定时间内是否找到帧头；
如果找到帧头，则进行步骤S14；
如果没有找到帧头，则判断该信号为假信号；
判断该颗卫星有无下组信号；
如果有下组信号，发送下组信号至S7：识别信号强弱标志的步骤；
如果无下组信号，则判断该颗星无效；选择下颗星，返回步骤S4；
S14：导航电文结算；
S15：每四颗卫星位置结算；
S16：分析定位结果数据；
S17：判断卫星数据是否有效；
如果有效，进行步骤S18；
如果无效，找出错误卫星，并返回判断该信号为假信号的步骤；
S18：确定定位成功；
S19: 控制卫星导航进入动态跟踪模式。
本发明的积极效果是：
快捕模块主要是要快速得到捕获卫星的频率和码相位，本设计中加入捕获结果分析模块，捕获过程中利用NH码在对微弱信号捕获中的作用，实现抗攻击和强弱信号捕捉。快捕模块预置的至少三个卫星通道，基于码相位并行捕获模块主要基于经典的FFT算法，以200Hz频率作为频率间隔得到该频率点所有相位的相关值输出。捕获结果分析模块也预置了对应数目的卫星通道。
针对单个通道而言捕获结果分析模块主要取到峰值最大的5个点，然后计算信噪比发送给CPU。具体来说：1）比较模块：对输入的相关值经过比较左右值得到最大5个峰值，并经过排序输出给信号比较模块；同时比较模块将除最大5个峰值点去掉剩下的相关值经过求和计算平均值，这个可以视为噪声能量发送给信号比较模块。2）信噪比计算模块：由比较模块得到的噪声能量分别计算5个信号的信噪比，并与设置的阈值进行比较，高于强信号阈值的信号标记为强信号；低于强信号阈值高于弱信号阈值的标记为弱信号；低于弱信号阈值的则是为无效信号，最后将数据发至处理器，处理器对接收到的数据进行分析并反馈控制的工作。
处理器识别到强信号后，将通道配置为强信号跟踪模式，主要是将相关器模块积分时间配置为1ms；NH码产生模块的相位步进长度设为一NH码片长度（1ms）；相位捕获的相位逼近由扩频码产生模块的相位控制信号来实现。即：CPU发送频率和码相位起点分别给本地载波产生模块和本地扩频码产生模块。相关器做1ms时长的积分后将结果发送至CPU，CPU来判断相关结果是否达到阈值，同时CPU还要连续分析积分结果的正负性，若积分结果能保持每20ms的正负性一致则说明NH码保持同步，否则控制NH码相位步进一个码片（1ms）。重复以上直至CPU扩频码相位和NH码相位都同步。
处理器识别到弱信号后，将通道配置为弱信号跟踪模式，主要是将相关器的积分时间配置为20ms；NH码产生模块的相位步进长度设为1/4扩频码码片长度（0.5us）；相位捕获的相位逼近由NH码产生模块的相位控制信号来实现。即：CPU发送频率和码相位的起点分别给本地载波产生模块和NH码产生模块，本地扩频码产生模块受NH码的时序控制产生本地扩频码。相关器做20ms时长的积分后将相关结果发送给CPU，CPU判断相关值是否达到阈值，否的话控制NH码产生模块的相位步进1/4扩频码码片长度，直至相关值达到阈值，则频率和码相位实现同步。从而解决了当接收机处于高动态状态下，由于多普勒频移所导致相位偏移，过长时间的捕获会导致卫星捕获失败的缺陷。
说明书附图
图1为北斗导航接收机的系统构成示意图；
图2为捕捉结果分析模块的构成示意图；
图3为系统控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，包括
射频模块，该射频模块设置有用于接收卫星信号的天线，射频模块将天线接收到的信号降频和AD采样后将数字低频信号发送至基带处理模块；
基带处理模块，该基带处理模块包括：
用于将数字中频降到0中频附近的数字预下变频模块； 0中频是指信号的中心频率在0Hz附近。
用于快速捕获卫星的频率和码相位的快捕模块；
该快捕模块包括基于码相位并行捕获模块和捕获结果分析模块；
所述基于码相位并行捕获模块以固定频率作为频率间隔得到该频率点所有相位的相关值并输出至捕获结果分析模块；该捕获结果分析模块包括比较模块、信噪比计算模块和串行输出模块；
所述捕获结果分析模块用于接收频率点、相关值和码相位信号，并对信号处理后输出噪声能量信号至信噪比计算模块；
所述信噪比计算模块用于计算得到的信号的信噪比，并与阈值比较判断出强信号、弱信号或无效信号，并将信号打包为数据包发送至处理器；
所述串行输出模块用于按顺序(按信噪比从大到小的顺序)输出数据包，并缓存待发送数据包。
所述捕获结果分析模块接收所述基于码相位并行捕获模块输出的信号，并对接收到的信号进行分析实现抗攻击和弱信号判别，并将结果通过总线输出至处理器。
用于识别强信号和弱信号，从而控制工作在强信号跟踪模式或弱信号跟踪模式的跟踪模块；
所述跟踪模块包括码NCO模块、载波NCO模块、旋转下变频模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、伪距测量模块、NH码产生模块和导航电文同步解码模块；
所述载波NCO模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、NH码产生模块分别与所述处理器通信。
还包括处理器，处理器用于完成基带处理模块初始化，对基带处理模块发送出的数据进行分析和反馈控制。
快捕模块主要是要快速得到捕获卫星的频率和码相位，本设计中加入捕获结果分析模块，捕获过程中利用NH码在对微弱信号捕获中的作用，实现抗攻击和强弱信号捕捉。快捕模块预置的四个卫星通道，基于码相位并行捕获模块主要基于经典的FFT算法，以200Hz频率作为频率间隔得到该频率点所有相位的相关值输出。捕获结果分析模块也预置了对应数目的卫星通道。
针对单个通道而言，捕获结果分析模块主要取峰值最大的5个点，然后计算信噪比发送给CPU。具体来说：1）比较模块：对输入的相关值经过比较左右值得到最大5个峰值，并经过排序输出信号给比较模块；同时比较模块将除最大5个峰值点去掉剩下的相关值经过求和计算平均值，这个可以视为噪声能量发送给信号比较模块。2）信噪比计算模块：由比较模块得到的噪声能量分别计算5个信号的信噪比，并与设置的阈值进行比较，高于强信号阈值的信号标记为强信号；低于强信号阈值高于弱信号阈值的标记为弱信号；低于弱信号阈值的则是为无效信号，最后将数据发至处理器，处理器对接收到的数据进行分析并反馈控制的工作。
其中数据包为32位数据包（包括：1卫星编号；2强弱标志；3强弱序号；4码相位；5频率点）的格式发出。(注：强信号阈值是指在传统跟踪捕获模式下可以捕获信号的最低信噪比，而弱信号阈值是指在通过使用NH码来提高增益后可以捕获信号的最低信噪比，参考Tsui. James B-Y Fundamentals of Global Positioning System Receivers: A Software Approach. John Wiley&Sons Inc, 2000 一书指出NC毫秒相干时间相对于1毫秒相干时间的增益为 ，由于本设计中弱信号采用20ms相关时长，从而本设计中弱信号阈值为强信号阈值减13dB)
处理器识别到强信号后，将通道配置为强信号跟踪模式，将相关器模块的积分时间配置为1ms；NH码产生模块的相位步进长度设为一NH码片长度（即1ms）；相位捕获的相位逼近由本地扩频码产生模块的相位控制信号来实现。即：CPU发送频率和码相位起点分别给本地载波产生模块（载波NCO模块）和本地扩频码产生模块。相关器模块做1ms时长的积分后将结果发送至CPU，CPU来判断相关结果（是本地扩频码与卫星信号通过积分运算得到的相关值大小）是否达到阈值，同时CPU还要连续分析积分结果的正负性，若积分结果能保持每20ms的正负性一致则说明NH码保持同步，否则控制NH码相位步进一个码片（1ms）。重复以上直至CPU扩频码相位和NH码相位都同步。
跟踪模块工作在强信号跟踪模式和弱信号跟踪模式两种状态。当处理器识别到弱信号后，将通道（每个信号独立占用一个跟踪模式模块，这个跟踪模块就成为该信号的一个通道）配置为弱信号跟踪模式，主要是将相关器的积分时间配置为20ms；NH码产生模块的相位步进长度设为1/4扩频码码片长度（0.5us）；相位捕获的相位逼近由NH码产生模块的相位控制信号来实现。即：CPU发送频率和码相位的起点分别给本地载波产生模块和NH码产生模块，本地扩频码产生模块受NH码的时序控制产生本地扩频码。相关器做20ms时长的积分后将相关结果发送给CPU，CPU判断相关值是否达到阈值，否的话控制NH码产生模块的相位步进1/4扩频码码片长度，直至相关值达到阈值，则频率和码相位实现同步。从而解决了当接收机处于高动态状态下，由于多普勒频移所导致相位偏移，过长时间的捕获会导致卫星捕获失败的缺陷。
如图3所示，基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击方法，其特征在于，采用基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，
按照如下步骤进行：
S1：配置射频模块；写入射频芯片（芯片为max2769芯片）的控制字，配置模式为北斗接收模式。
S2：控制基带处理模块复位；初始化基带处理各子模块，对其寄存器进行清零操作。
S3：判断是否为冷启动；处理器查询记录，是否存在保存的上次定位信息，若存在则为热启动，若无定位历史则为冷启动。
如果判断为冷启动，选择默认的四颗卫星信号；
如果判断不为冷启动，选择历史记录定位成功的四颗卫星信号；
S4：控制将选择的卫星信号的参数送入快捕模块；处理器配置快捕通道，设置通道分配的卫星编号。
S5：接收快捕模块输出的数据包；处理器接收到来自快捕通道捕获得到的卫星捕获的信息，包括卫星编号，频率偏移值，码位偏移值，信号的强弱模式。
S6：准备跟踪通道并将跟踪卫星数据分别送入跟踪模块；处理器查询跟踪通道是否空闲，空闲的话则根据S5得到的信息，预设跟踪通道的频率和码相位值以及卫星编号。
S7：识别接收到的卫星信号强弱标志；处理器读出S5得到数据包中的信号强弱模式。
S8：配置跟踪模块控制信号至强模式或弱模式；处理器根据信号的强弱模式使跟踪通道分别工作在对应的模式下。
S9：设置跟踪模块的频率和相位位置；根据S5的数据包，设置跟踪模块的初始频率和码相位的值。
S10：接收相关器模块的相关值；当跟踪模块发出相关完成标志后，处理器接收到来自跟踪模块得到的相关值。
S11：判断是否到达跟踪阈值；处理器将S10得到的相关值与预设的阈值比较。
如没到达跟踪阈值，则返回步骤S10；
如到达跟踪阈值，则进行步骤S12；
S12：控制导航电文同步解码模块工作；相关值达到阈值表示跟踪模块去除了信号中的频率偏移和码相位偏移，已经还原出了导航信息。
S13：判断指定时间内是否找到帧头；若帧同步模块在18秒内（3个导航电文子帧长度时间）未能识别到任意一个子帧的起点位置，视为寻找帧头失败。
如果找到帧头，则进行步骤S14；
如果没有找到帧头，则判断该信号为假信号；该信号为无导航电文的攻击信号。
判断该颗卫星有无下组信号；处理器查询保存的数据包中该颗卫星是否存在其它信号。
如果有下组信号，发送下组信号至S7：识别信号强弱标志的步骤；
如果无下组信号，则判断该颗星无效；选择下颗星，返回步骤S4；
S14：导航电文解算；使用标准方法，根据导航电文中的信息得到卫星位置和卫星到接收机距离，建立方程，解算出接收机坐标。
S15：每四颗卫星位置结算；
S16：分析定位结果数据；处理器分析每四个卫星得到的坐标的离散情况，若有且2颗及以上坐标值之间差小于预设的精度值，则判别该系列坐标值有效。
S17：判断卫星数据是否有效：S16中参与有效坐标值结算单额卫星数据视为有效数据；
如果有效，进行步骤S18；
如果无效，找出错误卫星，并返回判断该信号为假信号的步骤；
S18：确定定位成功；上述过程全部完成，得到一个定位坐标。
S19: 控制卫星导航进入动态跟踪模式；将跟踪通道分配给有效信号，来实时跟踪信号的频率以及码相位的动态变化。
Claims (5)
1.一种基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，其特征在于，包括
射频模块，该射频模块设置有用于接收卫星信号的天线，射频模块将天线接收到的信号降频和AD采样后将数字低频信号发送至基带处理模块；
基带处理模块，该基带处理模块包括：
用于将数字中频降到0中频附近的数字预下变频模块；
用于快速捕获卫星的频率和码相位的快捕模块；
用于识别强信号和弱信号，从而控制工作在强信号跟踪模式或弱信号跟踪模式的跟踪模块；
还包括处理器，处理器用于完成基带处理模块初始化，对基带处理模块发送出的数据进行分析和反馈控制。
2.根据权利要求1所述的基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，其特征在于，所述快捕模块包括基于码相位并行捕获模块和捕获结果分析模块；
所述基于码相位并行捕获模块以固定频率作为频率间隔得到该频率点所有相位的相关值并输出至捕获结果分析模块；
所述捕获结果分析模块接收所述基于码相位并行捕获模块输出的信号，并对接收到的信号进行分析实现抗攻击和弱信号判别，并将结果通过总线输出至处理器。
3.根据权利要求1所述的基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，其特征在于，所述捕获结果分析模块包括比较模块、信噪比计算模块和串行输出模块；
所述捕获结果分析模块用于接收频率点、相关值和码相位信号，并对信号处理后输出噪声能量信号至信噪比计算模块；
所述信噪比计算模块用于计算得到的信号的信噪比，并与阈值比较判断出强信号、弱信号或无效信号，并将信号打包为数据包发送至处理器；
所述串行输出模块用于按顺序输出数据包，并缓存待发送数据包。
4.根据权利要求1所述的基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，其特征在于，所述跟踪模块包括码NCO模块、载波NCO模块、旋转下变频模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、伪距测量模块、NH码产生模块和导航电文同步解码模块；
所述载波NCO模块、本地扩频码产生模块、相关器模块、NH码产生模块分别与所述处理器通信。
5.基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击方法，其特征在于，采用基于SOC的北斗导航系统接收机抗攻击系统，
按照如下步骤进行：
S1：配置射频模块；
S2：控制基带处理模块复位；
S3：判断是否为冷启动；
如果判断为冷启动，优先选择四颗卫星信号；
如果判断不为冷启动，选择最近一次选择的四颗卫星信号；
S4：控制将选择的卫星信号的参数送入快捕模块进行处理；
S5：接收快捕模块输出的数据包；
S6：准备跟踪通道并将跟踪卫星数据分别送入跟踪模块；
S7：跟踪模块输出接收、识别到的卫星信号强弱标志；
S8：配置跟踪模块控制信号至强模式或弱模式；
S9：设置跟踪模块的频率和相位位置；
S10：接收相关器模块的相关值；
S11：判断是否到达跟踪阈值；
如没到达跟踪阈值，则返回步骤S10；
如到达跟踪阈值，则进行步骤S12；
S12：控制导航电文同步解码模块工作；
S13：判断指定时间内是否找到帧头；
如果找到帧头，则进行步骤S14；
如果没有找到帧头，则判断该信号为假信号；
判断该颗卫星有无下组信号；
如果有下组信号，发送下组信号至S7：识别信号强弱标志的步骤；
如果无下组信号，则判断该颗星无效；选择下颗星，返回步骤S4；
S14：导航电文结算；
S15：每四颗卫星位置结算；
S16：分析定位结果数据；
S17：判断卫星数据是否有效；
如果有效，进行步骤S18；
如果无效，找出错误卫星，并返回判断该信号为假信号的步骤；
S18：确定定位成功；
S19: 控制卫星导航进入动态跟踪模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170215 Termination date: 20200609 |