CN104459723A - 一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法，涉及导航接收机抗干扰技术。本发明的目的是利用单天线即可有效的对欺骗式干扰进行抑制，同时不降低可用卫星的数量。确定未被欺骗的M₁个授权卫星信号以及M₃个欺骗式干扰信号；对已经完成接收的欺骗式干扰信号的载波频率信息、扩频码信息和导航电文信息进行复现；利用观测到的欺骗式干扰信号的参数信息对欺骗式干扰信号矩阵进行重建；利用得到的欺骗式干扰信号矩阵构建欺骗式干扰信号子空间的投影矩阵；计算欺骗式干扰子空间的补空间；将接收的中频信号在补空间上进行投影，即完成干扰抑制运算。本发明能确保导航接收机在授权卫星信号与欺骗式干扰信号并存时能够正常对授权信号进行接收。

Description

一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法

技术领域

本发明涉及一种导航接收机欺骗式干扰消除方法，涉及导航接收机抗干扰技术。

背景技术

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的发展，基于位置的服务已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部分，而GNSS接收机则是获得服务的重要工具。尽管导航卫星系统与接收机技术都已经十分成熟了，但是其抗干扰性能并没有提高。而欺骗式干扰作为一种新型的干扰技术，继压制式干扰后，成为了全球导航卫星系统的又一潜在威胁。

欺骗式干扰通常分为转发式欺骗式干扰与生成式欺骗式干扰。欺骗式干扰利用伪造的导航卫星信号，有意的引导接收机得到错误的位置信息或者时间信息，从而将接收机引导至错误的地点或者对接收机得到的时间进行伪造。与压制式干扰相比，欺骗式干扰更加隐蔽，危害性更大。

由于欺骗式干扰是通过伪造卫星信号对用户进行欺骗的，所以欺骗式干扰抑制或者消除技术通常在接收机端完成。常用的欺骗式干扰消除技术是通过GNSS信号完好性检测出被欺骗的卫星信号然后在位置解算过程中将相应的卫星信息弃之不用，这类方法尽管避免了欺骗式干扰，但是会降低可用卫星数量。而另外一种比较常用的欺骗式干扰抑制方案则是基于阵列天线处理的，但是这类方案无法在普通的单天线接收机上实现。

发明内容

针对背景技术指出的问题，本发明提供了一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法，旨在利用单天线即可有效的对欺骗式干扰进行抑制，同时不降低可用卫星的数量。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法，定义导航接收机接收到的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含M₁个未被欺骗的授权卫星信号、M₂个被欺骗的授权卫星信号和M₃个欺骗式干扰信号，其中有M₂≤M₃，n₀为高斯白噪声；

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}1}^j+\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}2}^j+\underset{j=1}{\overset{M_3}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{spoof}}+n_0---\left(1\right)$

M₃个欺骗式干扰信号对M₁个未被欺骗的授权卫星信号的解算结果产生影响，将这M₃个欺骗式干扰信号消除，欺骗式干扰信号的消除过程为：

步骤一、导航接收机开机对信号进行接收，同时对欺骗式干扰信号进行检测，确定未被欺骗的M₁个授权卫星信号；确定M₃个欺骗式干扰信号；

步骤二、对已经完成接收的欺骗式干扰信号的载波频率信息扩频码信息和导航电文信息进行复现；而这三种参数可在欺骗式干扰信号的观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤三、利用观测到的欺骗式干扰信号的参数信息对欺骗式干扰信号矩阵进行重建，假设每次运算的数据长度为K，则欺骗式干扰信号矩阵按下面的公式进行重建：

$\begin{array}{c}S={[S_1,S_2,\·\·\·,S_{M_2}]}_{{K\×M}_3}\\ S_j={\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_1\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ d_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_k\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_k\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_K\right)}\end{array}\right]}_{K\×1}\end{array}---\left(2\right)$

式中参数含义如步骤二所示，此外t_i代表第i个采样时刻；

步骤四、利用得到的欺骗式干扰信号矩阵按照公式(3)构建欺骗式干扰信号子空间的投影矩阵：

H_spoof＝S(S^HS)-¹S^H   (3)

式中，S^H是S的共轭转置矩阵；

步骤五、计算欺骗式干扰子空间的补空间：

H_c＝I-H_spoof   (4)

步骤六、将接收的中频信号在公式(4)得到的补空间上进行投影，即完成干扰抑制运算：

r＝(I-H_spoof)·r_IF   (5)

式中，I是单位矩阵；

步骤七、M₃个欺骗式干扰信号被消除，所以剩下的M₂个被欺骗的授权卫星信号变为正常的授权卫星信号；得到的信号r近似为包含M₁+M₂个授权卫星信号和噪声的混合信号，即可对其进行捕获、跟踪、解调和解算。

本发明的有益效果是：

本发明方法只需利用欺骗式干扰信号的载波频率信息与扩频码码相位信息、以及导航电文信息即可对接收机接收到的混合信号中的欺骗式干扰进行抑制，对导航接收机接收的混合信号中的欺骗式干扰信号进行抑制，消除其对授权信号解算的影响，确保导航接收机在授权卫星信号与欺骗式干扰信号并存时能够正常对授权信号进行接收。

附图说明

图1是本发明的工作流程图，图2为干扰消除之前4号卫星的捕获结果，图3为欺骗式干扰消除之后4号卫星的捕获结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式给出一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法，假设导航接收机接收到的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含M₁个未被欺骗的授权卫星信号、M₂个被欺骗了的授权卫星信号和M₃个欺骗式干扰信号，其中有M₂≤M₃，n₀为高斯白噪声：

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}1}^j+\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}2}^j+\underset{j=1}{\overset{M_3}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{spoof}}+n_0---\left(1\right)$

由于欺骗式干扰信号的存在，M₃个欺骗式干扰信号会对M₁个未被欺骗的授权卫星信号的解算结果产生影响，所以需要将这M₃个欺骗式干扰信号消除；利用一种基于子空间投影的欺骗式干扰消除算法对导航接收机接收的混合信号中的欺骗式干扰信号进行抑制，消除其对授权信号解算的影响，保证导航接收机在授权信号与欺骗式干扰信号并存时能够正常的接收授权信号；本方法的具体实现过程如下：

步骤1：导航接收机开机对信号进行接收，同时对欺骗式干扰信号进行检测，确定未被欺骗的M₁个授权卫星信号；确定M₃个欺骗式干扰信号；

步骤2：对已经完成接收的欺骗式干扰信号的载波频率信息与扩频码信息和导航电文信息进行复现。而这三种参数可以在欺骗式干扰信号的观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤3：利用观测到的欺骗式干扰信号的参数信息对欺骗式干扰信号矩阵进行重建。假设每次运算的数据长度为K，则欺骗式干扰信号矩阵按下面的公式进行重建：

$\begin{array}{c}S={[S_1,S_2,\·\·\·,S_{M_2}]}_{{K\×M}_3}\\ S_j={\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_1\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ d_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_k\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_k\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_K\right)}\end{array}\right]}_{K\×1}\end{array}---\left(2\right)$

步骤4：利用得到的欺骗式干扰信号矩阵按照公式(3)构建欺骗式干扰信号子空间的投影矩阵：

H_spoof＝S(S^HS)^-1S^H

                                 (3)

步骤5：计算欺骗式干扰子空间的补空间：

H_c＝I-H_spoof

                                  (4)

步骤6：将接收的中频信号在公式(4)得到的补空间上进行投影，即完成干扰抑制运算：

r＝(I-H_spoof)·r_IF

                                  (5)

步骤7：得到的信号r近似为包含M₁+M₂个授权卫星信号和噪声的混合信号(M₃个欺骗式干扰信号已经被消除，所以剩下的M₂个被欺骗了的授权卫星信号就变成了正常的授权卫星信号)，即可对其进行捕获、跟踪、解调和解算。

由于本算法将信号的IQ两路作为复数进行运算，所以要求导航接收机采用正交混频器。

实施例：

利用本发明给出的一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法对欺骗式干扰进行消除。假设欺骗式干扰信号是对GPS的4号卫星信号进行欺骗，如图2所示，接收机对4号卫星的信号进行捕获时将捕获到两个相关峰，一个为欺骗式干扰伪造的4号卫星信号，而另一个则为被欺骗的真实的4号卫星信号。接收机首先对欺骗式干扰信号进行观测，得到其参数，然后利用其参数构建子空间投影矩阵。而经过本方案所提出的干扰抑制方法对欺骗式干扰进行消除后对4号卫星的捕获结果如图3所示，由于干扰信号被消除了，所以捕获结果只剩下了真实的4号卫星的相关峰，从图3可看出，本发明方法是可行的，有效的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于子空间投影的导航接收机欺骗式干扰消除方法，定义导航接收机接收到的信号经过下变频后得到的中频信号为r_IF，包含M₁个未被欺骗的授权卫星信号、M₂个被欺骗的授权卫星信号和M₃个欺骗式干扰信号，其中有M₂≤M₃，n₀为高斯白噪声；

$r_{\mathrm{IF}}=\underset{j=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}1}^j+\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}2}^j+\underset{j=1}{\overset{M_3}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{spoof}}^i+n_0---\left(1\right)$

M₃个欺骗式干扰信号对M₁个未被欺骗的授权卫星信号的解算结果产生影响，将这M₃个欺骗式干扰信号消除，其特征在于，欺骗式干扰信号的消除过程为：

步骤一、导航接收机开机对信号进行接收，同时对欺骗式干扰信号进行检测，确定未被欺骗的M₁个授权卫星信号；确定M₃个欺骗式干扰信号；

步骤二、对已经完成接收的欺骗式干扰信号的载波频率信息扩频码信息和导航电文信息进行复现；而这三种参数可在欺骗式干扰信号的观测通道的载波跟踪环和码跟踪环得到；

步骤三、利用观测到的欺骗式干扰信号的参数信息对欺骗式干扰信号矩阵进行重建，假设每次运算的数据长度为K，则欺骗式干扰信号矩阵按下面的公式进行重建：

$S={[S_1,S_2,...,S_{M_3}]}_{K\×M_3}$

$S_j={\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_1\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_1\right)}\\ .\\ .\\ .\\ d_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_K\right)C_{\mathrm{spoof}}^j\left(t_K\right)e^{j\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{spoof}}^j{t}_K\right)}\end{array}\right]}_{K\×1}---\left(2\right)$

式中参数含义如步骤二所示，t_i代表第i个采样时刻；

步骤四、利用得到的欺骗式干扰信号矩阵按照公式(3)构建欺骗式干扰信号子空间的投影矩阵：

H_spoof＝S(S^HS)^-1S^H    (3)

式中，S^H是S的共轭转置矩阵；

步骤五、计算欺骗式干扰子空间的补空间：

H_c＝I-H_spoof    (4)

步骤六、将接收的中频信号在公式(4)得到的补空间上进行投影，即完成干扰抑制运算：

r＝(I-H_spoof)·r_IF    (5)

式中，I是单位矩阵；

步骤七、M₃个欺骗式干扰信号被消除，剩下的M₂个被欺骗的授权卫星信号变为正常的授权卫星信号；得到的信号r近似为包含M₁+M₂个授权卫星信号和噪声的混合信号，即可对其进行捕获、跟踪、解调和解算。