CN104793220A - 一种基于多天线的欺骗干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多天线的欺骗干扰检测方法。本发明针对卫星导航系统中欺骗干扰的检测与识别问题，提出利用接收机自身能够提供的观测量载波相位，采用多天线的测向方法实现卫星导航信号或欺骗干扰信号的波达方向估计，再通过与接收机解算出的星历信息对比，实现欺骗干扰的检测与识别。本发明方法能够充分利用现有卫星导航接收机提供的观测量信息，具有结构简单，复杂度低，应用场景较为广泛的特点，是一种在卫星导航干扰监测领域实用的欺骗干扰检测与识别算法。

Description

一种基于多天线的欺骗干扰检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种基于多天线的实现欺骗干扰的检测的方法。

背景技术

卫星导航欺骗干扰信号是指发射卫星导航信号具有相同参数(只有信息码不同)的虚假信号，干扰卫星导航接收机，破坏接收机的码同步电路，使其产生错误的定位信息。

当前国内对卫星导航欺骗干扰的检测与识别技术的研究目前处于起步阶段，虽然也提出了一些方法，如：利用接收信号的载噪比或绝对功率变化率进行欺骗干扰检测，利用信号的伪距变化率进行检测，利用接收信号的载波相位变化率或多普勒频率变化率进行检测，不同频点的互相关检测，到达时间检测等，这些方法都是针对特定的欺骗干扰类型或场景有效，不具有普遍适用性。

发明内容

卫星导航欺骗干扰技术的发展对卫星导航反欺骗和欺骗干扰检测技术提出了更高的要求，提出一种具有对各种欺骗干扰都具有较好检测性能的欺骗干扰检测与识别方法变的重要和紧迫，卫星导航接收系统中如果能够剔除欺骗干扰信号，将大大提升系统的反欺骗性能，提高我国的导航对抗的能力。本发明利用接收机自身能够提供的观测量载波相位，采用多天线的测向方法实现卫星导航信号或欺骗干扰信号的波达方向估计，再与星历解算出的结果进行对比实现的欺骗干扰的检测与识别。本发明提供了一种应用范围广，设备复杂度相对较低的新的欺骗干扰的检测与识别手段，能够解决现有欺骗干扰检测方法应用受限的问题，可应用于北斗导航系统的欺骗式干扰检测与消除。

本发明的目的是这样实现的：一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：

(1)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵横向的构成短基线的两个阵元上，通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的方位角；通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵纵向的构成短基线的两个阵元上，通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的俯仰角；其中，入射信号为由天线进入接收机的导航信号、欺骗干扰信号或者导航信号与欺骗干扰信号的组合信号，短基线的阵元间距小于等于入射信号的半波长且短基线的两个阵元中一个阵元为原点处的阵元；

(2)将每个接收到的入射信号的俯仰角和方位角同接收机星历解算出来的俯仰角和方位角进行对比,若两者一致,则该入射信号为导航信号；否则，该入射信号是欺骗干扰信号；

完成欺骗干扰信号的检测与识别。

其中，通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的或者方位角或者入射角具体为：

(1)接收机利用同源本地码对接收到的入射信号进行捕获跟踪，然后分别提取短基线的阵元的各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；

(2)计算短基线的阵元之间属于同一信号的载波相位差，即得到同一信号的短基线的载波相位差；

(3)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵同一方向的构成长基线的两个阵元上，接收机利用同源本地码对接收到的入射信号重新进行捕获跟踪，然后提取各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；所述构成长基线的两个阵元中一个阵元为原点处的阵元，另一个阵元为距离原点处的阵元最远的阵元；

(4)计算长基线的阵元之间属于同一信号的载波相位差，即得到同一信号的长基线的载波相位差；

(5)根据测得的同一信号的短基线的载波相位差对长基线的载波相位差进行解模糊度运算，得到长基线的真实相位差；

(6)根据接收到的入射信号波长、阵元间距和长基线的真实相位差计算出每个接收到的入射信号的或者方位角或者俯仰角。

其中，步骤(1)具体为：

(101)接收机将接收到的入射信号下变频为中频信号后采样得到数字中频信号；

(102)通过捕获过程实现数字中频信号的载波和码的粗同步；

(103)通过跟踪过程实现数字中频信号的载波相位的精确估计；

(104)提取各个卫星的跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位。

其中，步骤(5)具体为：

(501)确定长短基线的长度比值，并把比值分为整数部分和小数部分；

(502)根据长基线的载波相位差和长短基线的长度比值确定需要补偿的相位；

(503)需要补偿相位加上长基线的载波相位差即为长基线的真实相位差。

其中，L型天线阵的阵元个数大于等于5，且除原点处的阵元外每个方向的阵元个数大于等于2。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)提供了一种新的欺骗干扰检测与识别方法，该方法不但能够对欺骗干扰信号进行检测，还能对欺骗干扰波达方向进行识别，提高了欺骗干扰的检测概率；

(2)现有方法仅针对特定场景或干扰有效，本发明提出方法能够应用的欺骗干扰场景更为广泛。

附图说明

图1为本发明实施例的L型天线阵列结构图；

图2为本发明的欺骗干扰检测方法的基本原理；

图3为现有技术的接收机跟踪过程。

具体实施方式

下面以五个阵元组成的L型天线和双通道接收机为例，结合附图对本发明进行进一步说明。

欺骗干扰检测的L型天线阵列结构如图1所示。通过开关控制矩阵实现不同接收阵元间相位差的精确估计，进而实现接收信号的入射角(包括方位角和俯仰角)的估计，通过星历解算出的卫星位置对比实现欺骗干扰的识别。

下面结合图2对本发明的流程进行进一步的说明。一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，所述的检测方法通过解扩后的相关干涉测向和星历对比实现，包括以下步骤：

(1)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线的阵元o和阵元c上，入射信号由天线进入接收机；入射信号为导航信号或欺骗干扰信号；

(2)接收机利用同源本地码对接收到的入射信号进行捕获跟踪，然后提取各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；接收机捕获入射信号的过程为：

(201)接收机将入射信号下变频为中频信号，并进行数字采样变为数字中频信号；

(202)通过捕获过程实现数字中频信号的载波和码的粗同步；

卫星导航信号的捕获过程是对入射信号的码相位和载波频率二维搜索的过程，基本思想就是展开入射信号找到载波频率。具体过程为：

1)数字中频信号x_IF(t)分别与在一个接收通道的同相支路(I支路)的余弦复制载波和正交支路(Q支路)的余弦复制载波进行混频；

2)将两个混频结果分别与复制的本地码进行相关；

3)I支路和Q支路的相关结果分别经过时间为T_coh的相干积分；

4)相干积分生成的两路数据分别经过非相干积分得到两个积分幅值,通过检测非相干积分的幅值来确定是否捕获到信号。

(203)通过跟踪过程实现数字中频信号的载波相位的精确估计从而去除数据序列中的载波多普勒；图3为接收机跟踪过程。

根据捕获过程中得到设定的频率初始值和码的粗估相位，码跟踪环通常采用延迟锁定环(DLL)，即本地产生相位超前、即时和滞后的伪码信号与入射信号进行相关，对比超前与滞后支路的相关峰值，得出码相位误差，从而实时动态的使码NCO产生与接收到的入射信号相位一致的本地信号。

(204)提取接收到的入射信号同一时刻双通道接收的载波相位。当得到某一时刻的I_P(t)和Q_P(t)数据对后，运用反正切函数计算出此时刻的载波相位φ_i(t)，即

${\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)=\arctan \left(\frac{Q_P\left(t\right)}{I_P\left(t\right)}\right)$

其中，I_P(t)为第P颗卫星的跟踪通道I支路t时刻的幅度，Q_P(t)为第P颗卫星的跟踪通道Q支路t时刻的幅度，φ_i(t)表示第_i个阵元得到的载波相位。

(3)计算阵元o和阵元c之间属于同一信号的载波相位差，得到同一信号的短基线的载波相位差；

(4)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线的阵元o和阵元d上，接收机利用同源本地码对接收到的入射信号重新进行捕获跟踪，并提取各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；

(5)计算阵元o和阵元d的之间属于同一信号的载波相位差，得到同一信号的长基线的载波相位差；

(6)对长基线的载波相位差进行解模糊度运算，得到长基线的真实相位差；其中具体包括以下步骤：

(601)确定长基线和短基线的长度比值，并把比值分为整数部分和小数部分；

(602)由根据测得的长基线的载波相位差和长短基线的比值确定需要补偿的相位；

(603)需补偿相位加上测得的长基线的载波相位差即为长基线的真实相位差。

(7)根据接收到的入射信号波长、阵元间距和长基线的真实相位差计算出每个入射信号的方位角；

入射信号到达的方位角为θ：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\φ\λ}}{2\mathrm{\πl}}$

由于鉴相器的无模糊的相位检测范围仅为[-π,π)，所以单基线相位干涉仪最大无模糊测角范围为[-θ_max,θ_max)，其中

${\mathrm{\θ}}_{\max }=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2l}$

其中，φ为测量相位差，λ为入射信号波长，l为阵元间距，arcsin为反正弦变换。

(8)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵元o和阵元a上，重复步骤(2)至步骤(6),根据接收到的入射信号波长、阵元间距和长基线的真实相位差得到入射信号的俯仰角；其中，步骤(5)计算阵元o和阵元b的之间属于同一信号的载波相位差，得到同一信号的长基线的载波相位差；

(9)将每个入射信号的俯仰角和方位角同接收机星历解算出来的卫星位置进行对比,若两者一致,则该入射信号为导航信号；否则，则认为该信号是欺骗干扰信号。

完成欺骗干扰信号的检测与识别。

Claims (5)

1.一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵横向的构成短基线的两个阵元上，通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的方位角；通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵纵向的构成短基线的两个阵元上，通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的俯仰角；其中，入射信号为由天线进入接收机的导航信号、欺骗干扰信号或者导航信号与欺骗干扰信号的组合信号，短基线的阵元间距小于等于入射信号的半波长且短基线的两个阵元中一个阵元为原点处的阵元；

(2)将每个接收到的入射信号的俯仰角和方位角同接收机星历解算出来的俯仰角和方位角进行对比,若两者一致,则该入射信号为导航信号；否则，该入射信号是欺骗干扰信号；

完成欺骗干扰信号的检测与识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，其特征在于：所述通过估计阵元间相位差计算出每个接收到的入射信号的或者方位角或者入射角具体为：

(1)接收机利用同源本地码对接收到的入射信号进行捕获跟踪，然后分别提取短基线的阵元的各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；

(2)计算短基线的阵元之间属于同一信号的载波相位差，即得到同一信号的短基线的载波相位差；

(3)通过开关控制矩阵将接收通道分别连接到L型天线阵同一方向的构成长基线的两个阵元上，接收机利用同源本地码对接收到的入射信号重新进行捕获跟踪，然后提取各个卫星跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位；所述构成长基线的两个阵元中一个阵元为原点处的阵元，另一个阵元为距离原点处的阵元最远的阵元；

(4)计算长基线的阵元之间属于同一信号的载波相位差，即得到同一信号的长基线的载波相位差；

(5)根据测得的同一信号的短基线的载波相位差对长基线的载波相位差进行解模糊度运算，得到长基线的真实相位差；

(6)根据接收到的入射信号波长、阵元间距和长基线的真实相位差计算出每个接收到的入射信号的或者方位角或者俯仰角。

3.根据权利要求2所述的一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：

(101)接收机将接收到的入射信号下变频为中频信号后采样得到数字中频信号；

(102)通过捕获过程实现数字中频信号的载波和码的粗同步；

(103)通过跟踪过程实现数字中频信号的载波相位的精确估计；

(104)提取各个卫星的跟踪通道的同一时刻的入射信号的载波相位。

4.根据权利要求2所述的一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，其特征在于：所述步骤(5)具体为：

(501)确定长短基线的长度比值，并把比值分为整数部分和小数部分；

(502)根据长基线的载波相位差和长短基线的长度比值确定需要补偿的相位；

(503)需要补偿相位加上长基线的载波相位差即为长基线的真实相位差。

5.根据权利要求1所述的一种基于多天线的欺骗干扰检测方法，其特征在于：所述L型天线阵的阵元个数大于等于5，且除原点处的阵元外每个方向的阵元个数大于等于2。