CN106680852A - 基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法及系统，本发明转发式欺骗干扰技术调制接收的卫星导航信号的时延，并在信号盲区内播发时延后的卫星导航信号，最终对信号盲区内行驶的移动载体进行定位。同时，本发明还采用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，并将自主产生的卫星导航信号在信号盲区内发送，最终对信号盲区内行驶的移动载体进行定位。本发明解决了信号盲区内移动载体无法定位的问题，在信号盲区内也能获得准确的定位结果。

Description

基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法及系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，特别是在卫星导航信号被遮挡的情况下，基于卫星导航信号欺骗式干扰的技术原理实现定位的方法及系统。

背景技术

GNSS系统采用三球定位原理，通过时差测量，得到GNSS信号传播时间后，可以计算出卫星和用户之间的距离，只要得到卫星的坐标就可以通过联立方程计算出定位点的坐标。实际上接收机与GNSS的标准时钟总是存在钟差，因此实际定位中至少需要四颗星的伪距，计算得到授时误差。从上述可得，只要能让接收机得到伪距、卫星位置等测量信息，就可以得到定位结果，从而到达干扰的作用。

GNSS信号的欺骗式干扰分为两种体制，即自主式欺骗干扰和转发式欺骗干扰。自主欺骗干扰系统不依赖GNSS系统，自主产生GNSS信号，这些信号通过转发到用户接收机，致使接收机从干扰信号上得到信息并计算出定位结果。自主式干扰具有很好的可操作性，对于民用信号来说，GNSS信号结构，包括码结构、导航电文、信号调制方法均为公开信息，因此，可实现性较大。转发式欺骗干扰不需要对所接收的真实GNSS信号进行分析，主要是在一点设置干扰机，干扰机接收GNSS信号，调节接收到卫星信号的时间延迟，放大后转发，从而构成一个虚假的卫星导航信号，接收机接收到转发信号，在干扰有效区域内将接收机欺骗到错误位置，接收机在接收到虚假信号后得出错误的定位信息和授时信息。这种技术直接通过延迟调节发射时间到达欺骗的目的，理论上可以认为是一种与代码结构没有太大关联的干扰。

在城市定位中，当车辆行驶在较长的隧道或地下通道时，由于卫星导航信号完全被遮挡，而惯性导航在一定时间内也会发生随机游走出现较大的定位误差，因此在这种情况下很难实现车辆的定位。因此，本发明提出在山谷隧道、地下通道这种无法接收到GNSS信号的环境下，采用转发式欺骗干扰信号的方法，通过将原始信号延迟后，发送出与导航信号结构一样的干扰信号，或者自主式欺骗干扰的方法自主产生GNSS信号进行播发，使得车辆接收机在卫星信号盲区内也能接收到信号并实现定位。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明基于卫星导航信号欺骗式干扰技术原理，提供了一种基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法及系统，适用于城市隧道、地下通道等卫星信号容易被完全遮挡的环境下的定位。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，该方法利用转发式欺骗干扰技术原理实现，其思路为：地面控制器接收卫星导航信号，并采用数控延迟法调制卫星导航信号的时延，将时延后的卫星导航信号(即延时信号)传送到信号转发器。信号转发器在山体隧道、地下通道等信号盲区播发延时信号，有效干扰区域内的用户接收机接收播发的延时信号，并进行定位解算。

上述基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，具体包括：

(1)信号盲区外设置一地面控制器，信号盲区内设置若干信号转发器；

(2)地面控制器接收卫星导航信号，并采用数控延迟技术调制卫星导航信号的时延以获得延时信号，将延时信号传送到各信号转发器；

卫星导航信号传送到信号转发器的时延Δτ_ij根据卫星、地面控制器和信号转发器的坐标获得：

其中，Δτ_ij为第i颗卫星的卫星导航信号传送到第j个信号转发器的时延；c为光速；(X_i,Y_i,Z_i)为第i颗卫星的坐标，i＝1,2,...,n，n为参与定位解算的卫星数，其值不小于4；(X_A,Y_A,Z_A)为地面控制器的坐标；(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)为第j个信号转发器的坐标；

(3)信号转发器将接收的延时信号在信号盲区内播发；

(4)信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收延时信号，并根据延时信号进行定位解算。

进一步的，步骤(2)具体为：

地面控制器接收卫星导航信号，对接收的卫星导航信号依次进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换获得中频数字信号，采用数控延迟技术对中频数字信号进行时延获得延时信号，将延时信号传送到各信号转发器。

进一步的，步骤(3)具体为：

信号转发器对接收的延时信号依次进行数模转换、上变频、滤波、放大获得转发式干扰信号，在信号盲区内播发转发式干扰信号。

作为优选，定位解算中，采用利用信噪比改进多路径方法改正观测量。

二、基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，该系统利用转发式欺骗干扰技术原理实现，包括设于信号盲区外的一地面控制器、设于信号盲区内的若干信号转发器和设于信号盲区内移动载体上的用户接收机，其中：

地面控制器包括信号接收模块和时延调制模块，信号接收模块用来接收卫星导航信号，时延调制模块用来调制信号接收模块接收的卫星导航信号的时延以获得延时信号；

信号转发器用来接收延时信号并在信号盲区内播发；

信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收延时信号并根据延时信号进行定位解算。

进一步的，信号接收模块包括顺次相连的第一天线、第一滤波器、低噪声放大器、下变频器、模数转换器。

进一步的，信号转发器包括顺次相连的数模转换器、上变频器、第二滤波器、放大器、第二天线。

三、基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，该方法利用自主式欺骗干扰技术原理实现，其思路为：地面控制器利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，并将自主产生的卫星导航信号通过设于山体隧道、地下通道等信号盲区的发射天线发送，用户接收机接收自主产生的卫星导航信号，并进行定位解算。

上述基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，具体包括：

(1)信号盲区外设置一地面控制器，信号盲区内设置一发射天线；

(2)地面控制器利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号并传送给发射天线；

(3)发射天线在信号盲区内发送GNSS射频信号；

(4)信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收GNSS射频信号，并进行定位解算。

进一步的，步骤(2)中，所述的地面控制器利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，具体为

地面控制器根据不同的GNSS卫星产生相对应的PRN码，将实时导航电文扩频到PRN码上再调制到载波，获得各卫星的中频数字信号，即自主产生的卫星导航信号；其中，实时导航电文通过外部网络获得。

进一步的，步骤(2)中，所述的将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号，具体为：

对自主产生的卫星导航信号依次进行数模转换、上变频、功率放大，获得GNSS射频信号，即自主式干扰信号。

作为优选，定位解算中，采用利用信噪比改进多路径方法改正观测量。

四、基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，该系统利用自主式欺骗干扰技术原理实现，包括设于信号盲区外的一地面控制器、设于信号盲区内的一发射天线和设于信号盲区内移动载体上的用户接收机，其中：

地面控制器用来自主产生卫星导航信号，并将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号并传送给发射天线；

发射天线用来在信号盲区内发送GNSS射频信号；

信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收GNSS射频信号，并进行定位解算。

进一步的，地面控制器包括顺次相连的GNSS信号生成器、数模转换器、上变频器、功率放大器。

进一步的，地面控制器包括GNSS信号生成器、数模转换器、若干上变频器、合路器和功率放大器，GNSS信号生成器的输出端连接数模转换器的输入端，若干上变频器的输入端均连接数模转换器的输出端，若干上变频器的输出端均连接合路器的输入端，合路器的输出端连接功率放大器的输入端。

进一步的，GNSS信号生成器包括码成模块、载波生成模块、导航电文模块和卫星轨道模块。

城市定位中，当车辆行驶在较长的隧道或地下通道时，由于卫星导航信号完全被遮挡，惯性导航在一定时间内会发生随机游走，从而出现较大的定位误差，这种情况下难以实现车辆定位。本发明则很好的解决了信号盲区内车辆无法进行定位的问题。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)利用转发式欺骗干扰技术原理或自主式欺骗干扰技术原理产生伪卫星信号，并根据伪卫星信号进行车辆定位，所得定位结果与真实值相近。

(2)本发明尤其适用于城市隧道、地下通道等卫星导航信号被完全遮挡的信号盲区内车辆的定位。

附图说明

图1是本发明应用环境下的场景图；

图2是实施例中基于转发式欺骗干扰的定位方法中转发式欺骗干扰信号产生的原理图；

图3是本发明中基于转发式欺骗干扰的定位方法的具体流程图；

图4是实施例中基于自主式欺骗干扰的定位方法中自主式欺骗干扰信号产生的原理图。

具体实施方式

以下对具体实施方法和说明书附图作进一步的详细说明。

参照图1，为本发明基于转发式欺骗干扰技的定位方法的应用场景图，包括地面控制器、若干信号转发器以及设于信号盲区行驶车辆上的用户接收机。地面控制器接收卫星导航信号，并通过数控延迟技术调制卫星导航信号的时延获得延时信号，将延时信号传送到各信号转发器，信号转发器将延时信号在山体隧道、地下通道等信号易被遮挡的信号盲区内播发，有效干扰区域内的用户接收机接收到播发的延时信号，并进行定位解算。

本发明所基于的原理如下：

(1)根据所在地区可见卫星情况选择几何分布以及几何精度因子较好的四个或四颗以上的卫星，设地面控制器为A点，则各卫星到A点的伪距观测量方程见式(1)：

式(1)中：

表示第i颗卫星到A点的伪距观测量；

c表示光速；

Δt_d表示采用公式(1)解算出的本地时钟与卫星时钟之间的偏差；

(X_i,Y_i,Z_i)为第i颗卫星的坐标；

(X_A,Y_A,Z_A)为A点的坐标。

用户接收机的钟差Δt_d和A点坐标可通过四个或四个以上的方程联立解算出来。

(2)由于地面控制器和信号转发器间存在转发距离，信号转发器的坐标可通过已知条件求出，假设已知信号转发器的坐标为(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)，因此，各卫星到信号转发器的伪距观测量如下：

其中，(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)表示第j个信号转发器的坐标；

Δt_d'代表采用公式(2)解算出的本地时钟和卫星时钟之间的偏差；

表示第i颗卫星到第j个信号转发器的伪距观测值。

(3)根据转发式欺骗的转发原理，依据式(1)和(2)得到第j个信号的时延：

本实施例中至少选择4颗卫星，即本实施例中，i＝1,2,3,4。第j个信号即第第j个信号转发器接收的信号。

从理论上来看，从式(3)可以得出，根据信号转发器的位置即可得到卫星导航信号的时延。

根据系统实现原理，可得到定位方程的伪距观测值，如下：

式(4)中，表示第j个信号转发器接收的延时信号的伪距。

由式(4)可得到，对GNSS信号的转发会带来接收机的授时误差，该授时误差与转发距离有关，为转发式干扰条件下的授时误差。

见图2，地面控制器包括信号接收模块和时延调制模块，信号接收模块用来接收卫星导航信号，从较低的信噪比中提取、放大信号，以保证信号不发生失真；提高输出信号的信噪比，并将模拟信号转化为中频数字信号，在时延调制模块中加入时延调制参数以控制时延。之后通过DAC转化、上变频到卫星导航信号的频率，生成转发式干扰信号，并播发。基于GNSS定位原理可以看出，卫星导航信号经干扰转发后，增加了传播延迟，改变了卫星导航信号的伪距，相当于将卫星导航信号传播到了之前所达不到的区域。基于转发式欺骗干扰的定位方法的具体流程见图3。本发明中，信号盲区每相隔一定距离设置一信号转发器，各信号转发器和地面控制器间形成一信号通道，时延调制模块分别控制各信号通道的时延。

见图4，本发明基于自主式欺骗干扰的定位方法中，地面控制器不用接收卫星导航信号，其利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号。地面控制器包括顺次相连的GNSS信号生成器、数模转换器、上变频器、功率放大器。其中，GNSS信号生成器进一步包括码生成模块、载波生成模块、导航电文模块和卫星轨道模块。导航电文模块产生的数据码与码生产模块产生的伪码进行异或相加获得结合码，再将结合码通过载波生成模块调相调制到载波上，从而形成卫星信号。卫星轨道模块用来提供卫星轨道参数，便于卫星定位。

GNSS卫星发送CDMA码分多址的扩频信号，GNSS信号生成器根据不同的GNSS卫星产生相对应的PRN码，将实时导航电文扩频到PRN码上再调制到载波，获得各卫星的中频数字信号。其中，实时导航电文由导航电文模块通过外部网络实时更新获得。数模转换器将中频数字信号进行数模转换，获得中频模拟信号。上变频器将中频模拟信号的频率调制到GNSS信号的标称频率值，获得GNSS射频信号，GNSS射频信号经功率放大后通过发射天线发送。

本发明基于自主式欺骗干扰的定位方法支持多频点信号，因此可以产生多个标称频率的卫星导航信号，设置多个上变频器分别对不同频点的卫星导航信号进行上变频，采用合路器将多个上变频器输出的GNSS射频信号进行合成，最后由设于信号盲区的发射天线发送至用户接收机。

无论是基于转发式欺骗干扰还是基于自主式欺骗干扰的定位方法，信号传播过程中都会产生多路径现象，而欺骗式信号的发送位于隧道、地下通道等这种多路径效应明显的环境，信号的传播路径比较低，因此，多路径误差是一个需要解决的主要误差源。车载的用户接收机接收到的反射波和直接波，除了存在相位延迟外，信号强度也会减少。由于隧道、地下通道内环境基本保持不变，多路径干扰也会重复。因此，本发明可采用利用信噪比改进多路径方法，即基于用户接收机接收信号的信噪比，通过分离多路径信号和直达信号，得到多路径对直达信号的影响来改正观测量，达到消除和减弱多路径的目的。

Claims (10)

1.基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是，包括：

(1)信号盲区外设置一地面控制器，信号盲区内设置若干信号转发器；

(2)地面控制器接收卫星导航信号，并采用数控延迟技术调制卫星导航信号的时延以获得延时信号，将延时信号传送到各信号转发器；

卫星导航信号传送到信号转发器的时延Δτ_ij根据卫星、地面控制器和信号转发器的坐标获得：

${\mathrm{\Δ\τ}}_{ij}=(\sqrt{{(X_i-X_A)}^2+{(Y_i-Y_A)}^2+{(Z_i-Z_A)}^2}-\sqrt{{(X_i-X_{Bj})}^2+{(Y_i-Y_{Bj})}^2+{(Z_i-Z_{Bj})}^2})/c;$

其中，Δτ_ij为第i颗卫星的卫星导航信号传送到第j个信号转发器的时延；c为光速；(X_i,Y_i,Z_i)为第i颗卫星的坐标，i＝1,2,...,n，n为参与定位解算的卫星数，其值不小于4；(X_A,Y_A,Z_A)为地面控制器的坐标；(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)为第j个信号转发器的坐标；

(3)信号转发器将接收的延时信号在信号盲区内播发；

(4)信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收延时信号，并根据延时信号进行定位解算。

2.如权利要求1所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是：

步骤(2)具体为：

地面控制器接收卫星导航信号，对接收的卫星导航信号依次进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换获得中频数字信号，采用数控延迟技术对中频数字信号进行时延获得延时信号，将延时信号传送到各信号转发器。

3.如权利要求1所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是：

步骤(3)具体为：

信号转发器对接收的延时信号依次进行数模转换、上变频、滤波、放大获得转发式干扰信号，在信号盲区内播发转发式干扰信号。

4.基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，其特征是，包括：

设于信号盲区外的一地面控制器、设于信号盲区内的若干信号转发器和设于信号盲区内移动载体上的用户接收机，其中：

地面控制器包括信号接收模块和时延调制模块，信号接收模块用来接收卫星导航信号，时延调制模块用来调制信号接收模块接收的卫星导航信号的时延以获得延时信号；

信号转发器用来接收延时信号并在信号盲区内播发；

信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收延时信号并根据延时信号进行定位解算。

5.如权利要求4所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，其特征是：

所述的信号接收模块包括顺次相连的第一天线、第一滤波器、低噪声放大器、下变频器、模数转换器。

6.如权利要求4所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，其特征是：

所述的信号转发器包括顺次相连的数模转换器、上变频器、第二滤波器、放大器、第二天线。

7.基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是，包括：

(1)信号盲区外设置一地面控制器，信号盲区内设置一发射天线；

(2)地面控制器利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号并传送给发射天线；

(3)发射天线在信号盲区内发送GNSS射频信号；

(4)信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收GNSS射频信号，并进行定位解算。

8.如权利要求7所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是：

步骤(2)中，所述的地面控制器利用自主式欺骗干扰技术自主产生卫星导航信号，具体为

地面控制器根据不同的GNSS卫星产生相对应的PRN码，将实时导航电文扩频到PRN码上再调制到载波，获得各卫星的中频数字信号，即自主产生的卫星导航信号；其中，实时导航电文通过外部网络获得。

9.如权利要求7所述的基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位方法，其特征是：

步骤(2)中，所述的将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号，具体为：

对自主产生的卫星导航信号依次进行数模转换、上变频、功率放大，获得GNSS射频信号，即自主式干扰信号。

10.基于卫星导航信号欺骗式干扰的定位系统，其特征是，包括：

包括设于信号盲区外的一地面控制器、设于信号盲区内的一发射天线和设于信号盲区内移动载体上的用户接收机，其中：

地面控制器用来自主产生卫星导航信号，并将自主产生的卫星导航信号转换为GNSS射频信号并传送给发射天线；

发射天线用来在信号盲区内发送GNSS射频信号；

信号盲区内移动载体上所设的用户接收机接收GNSS射频信号，并进行定位解算。