CN106772455B - 一种基于惯性信息辅助与参数估计的gnss反欺骗环路跟踪方法 - Google Patents

一种基于惯性信息辅助与参数估计的gnss反欺骗环路跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，将信号估计算法在反欺骗领域的应用进行探索性的研究；利用信号估计算法对类GNSS信号进行估计，并辅助惯性信息进行鉴别，融合信息进行欺骗信号和真实信号分辨；针对信号估计算法的应用辅以惯性导航信息提出了一种新的跟踪环路结构，具备为跟踪环路提供更多参考量，与保持GNSS与惯性导航系统相对独立的双重优势。实现一套集信号估计、检测和抑制欺骗信号、保持跟踪真实信号于一体的完备的反欺骗方案，能够抑制欺骗干扰以保证接收机工作的准确性和稳定性。

Description

一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪 方法
技术领域
本发明属于欺骗信号检测领域，具体涉及一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法。
背景技术
GNSS(全球导航卫星系统)欺骗式干扰可以在发射功率较低的情况下诱骗卫星导航系统接收机，对我国的北斗导航系统以及其他卫星导航系统的应用具有较大的威胁。因此如何保障卫星导航系统能够在恶意干扰的情况下仍能发挥作用是迫切需要研究和解决的问题。反欺骗技术其发展经历“欺骗系统验证与影响分析”、“欺骗信号检测”与“欺骗信号抑制”三个阶段。
“欺骗系统验证与影响分析”阶段，确定了目前欺骗干扰的结构和分类标准，并研究与分析了欺骗信号对接收机各个功能模块的影响。
在此基础上，提出了欺骗信号检测理论和方法，其中利用信号幅值、功率或AGC增益、移动天线检测信号到达角度这一类方法只能检测欺骗信号是否存在，无法抑制和减小欺骗信号对接收机的影响，另一方面由于功率可控和真实信号与欺骗信号相差小的情况会造成漏检和误检；利用L1与L2信号互相关的方法检测欺骗信号，需要额外的高效通信链路获取可靠L2信号，实现困难。完好性监测来检测欺骗信号方法对中级欺骗攻击，也存在失效的情况；而利用互相关值发生畸变的特点检测欺骗干扰方法，由于互相关函数直接反映接收码与本地生成码的匹配情况，能够提供更多信息，具有较好的发展前景，但由互相关函数值还受其他多种误差以及接收机参数的影响，还有待更深入的探究。
“欺骗信号抑制”与“欺骗信号检测”的研究几乎同时起步，但发展缓慢，相对“欺骗信号检测”的大量研究成果，其研究成果也显得非常薄弱和有限。CADLL(CoupledAmplitude Delay Locked Loop)估计信号方法，在欺骗信号相对真实信号有较大延时(>＝2chips)时，具有较好的跟踪效果。当欺骗信号与真实信号的延时差不足1码片时，CADLL将退化成普通DLL环路，不能分别跟踪到真实信号与欺骗信号。此外，该方法并未能分辨欺骗信号和真实信号。另一种信号估计算法，MEDLL(Multipath Estimation Delay LockedLoop)较CADLL而言，不会出现环路退化的问题。但该算法目前仅应用于多路径抑制方面，且根据多路径信号的特点进行了必要的优化，然而欺骗信号与多路径信号虽有类似之处，但更存在着较为明显的区别，因此，必须对其在反欺骗领域的应用进行大幅度的改进。
总体上，目前大量反欺骗技术主要针对欺骗信号的检测，而对如何让GNSS接收机不受或少受欺骗信号影响，继续跟踪真实信号的研究较为显不足。
发明内容
针对现有技术存在的问题与难点，本发明提出一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，将信号算法反欺骗领域的应用进行探索性的研究；利用信号估计算法对类GNSS信号进行估计，并辅助惯性信息进行鉴别，融合信息进行欺骗信号和真实信号分辨；针对信号估计算法的应用辅以惯性导航信息提出了一种新的跟踪环路结构，具备为跟踪环路提供更多参考量，与保持GNSS与惯性导航系统相对独立的双重优势。实现一套集信号估计、检测和抑制欺骗信号、保持跟踪真实信号于一体的完备的反欺骗方案，极大抑制欺骗干扰且保证接收机工作的准确性和稳定性。
本发明的技术方案是：一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，分为前向支路，辅助信息支路与反馈支路；
所述前向支路能够获得接收信号每一颗卫星信号的幅值、相位与码延时参数，对于受欺骗干扰的卫星信号，经过信号参数估计器能够获得两组信号幅值、相位与码延时参数；前向支路包括天线、接收前端、混频器、相关器组、信号参数估计器以及融合器；具体工作步骤如下：
步骤(1-1)，GNSS信号经过天线模块的接收和放大，输入接收前端使模拟射频信号转换为数字中频信号：
其中，上标au表示真实卫星信号；下标i表示第i颗卫星信号；sIF，i(k)表示接收机在第k个采样时刻获得的第i颗卫星的中频信号；Ai(k)表示第i颗卫星信号在第k个采样时刻的幅值；Ci(kTs-τi(k))表示码延时为τi(k)的第i颗卫星信号的伪码序列,Ts表示采样周期；Di(kTs-τi(k))表示延时为τi(k)的第i颗卫星信号的导航数据码；cos((ωIF+ωD(k))kTs+φi(k))表示载波，ωIF、ωD(k)与φi(k)分别表示中频频率，多普勒频率与相位偏差；
当接收信号包含欺骗信号时，对于单颗卫星信号而言，接收机接收到的数字中频信号表示为：
其中，n(k)表示接收机噪声；上标sp表示欺骗信号，表示接收机在第k个采样时刻获得的第i颗卫星的中频欺骗信号，与真实信号有相同的结构，但伪码延时、载波多普勒和相位延时会不同，具体表示为：
步骤(1-2)，数字中频信号依次通过同相-正交相混频器与多路相关器，获得剥离载波后的一组具有不同延时时间的自相关值；多路相关器个数为2M+1个，相关器码片间隔为Δ码片，则第m个相关器，m∈[-M，-(M-1)，...，-1，0，1，...，M-1，M]，输出同相信号Im(l)与正交相信号Qm(l)为：
其中，l表示第l个相干积分时间，Ncoh表示一个相干积分周期内所需的采样点个数；与表示前一相干积分时间估算的多普勒与相位偏差；τm表示第m个相关器的码延时，τm＝mΔ；
步骤(1-3)，信号参数估计器利用极大似然估计方法获取真实信号与欺骗信号的信号幅值、相位与码延时信息，同时将估计参数输出至融合器；参数估计方法如下：
其中，^表示估计量；x＝1表示真实信号，x＝2表示欺骗信号；Rxx(τ)表示通过Im与Qm获得的实际相关函数；R(τ)为理想相关函数曲线；在具体解(5)、(6)与(7)时，通过不断调整理想相关曲线叠加后与测量相关曲线无线趋近获得；
步骤(1-4)，融合器利用信号参数估计器输出的各信号参数，与辅助信息支路输入的辅助信号参数信息，即码延时与载波多普勒，进行检验，从而获得真实信号参数与欺骗信号参数；同时，融合器输出真实信号至辅助信息支路的码延时估计器，并将信号强度较大的信号认为须跟踪信号，输出至反馈支路的码生成器；
所述辅助信息支路用于提供辅助的码延时信息，供前向支路的融合器检测欺骗信号；
所述反馈支路用于给GNSS接收机码跟踪环路提供控制量。
进一步的，所述辅助信息支路包括码延时估计器，惯导系统，以及外部星历信息；具体工作步骤如下：
步骤(2-1)，码延时估计器从惯导系统获得估计的接收机位置信息，并获得星历信息，根据星历信息计算卫星位置，通过卫星位置与接收机位置，以及相关的误差模型，估计接收机当前时刻到每颗可见星的伪距，从伪距进一步获得预测码延时，输出至前向支路的融合器；
步骤(2-2)，码延时估计器从前向支路的融合器，获得经融合器处理后的当前时刻真实GNSS信号码延时，通过码延时计算接收机当前时刻距离每一颗可见星的伪距，并输出至惯导系统；
步骤(2-3)，惯导系统根据码延时估计器输出的伪距，利用卡尔曼滤波器组合导航，修正自身器件误差。
进一步的，所述反馈支路包括码生成器与延时组；具体工作步骤如下：
步骤(3-1)，码生成器从前向支路的融合器获得码延时作为控制量，生成即时码；
步骤(3-2)，延时组将生成的即时码，进行不同的时间延时，将具有不同时延的2M+1组本地码输出给前向支路的相关器组；且每一个延时器对应一个相关器。
本发明的有益效果是：
1、将信号算法反欺骗领域的应用进行探索性的研究；
2、利用信号估计算法对类GNSS信号进行估计，并辅助惯性信息进行鉴别，融合信息进行欺骗信号和真实信号分辨；
3、针对信号估计算法的应用辅以惯性导航信息提出了一种新的跟踪环路结构，既具备深组合为跟踪环路提供更多的参考量的特点，也具备松组合GNSS与惯性导航系统相对独立的算法复杂度低的特点的双重优势。
4、实现一套集信号估计、检测和抑制欺骗信号、保持跟踪真实信号于一体的完备的反欺骗方案，极大抑制欺骗干扰且保证接收机工作的准确性和稳定性。
附图说明
图1为惯性辅助的GNSS反欺骗跟踪环路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，包括输入信号、乘法器、本地载波生成器、相关器、信号参数估计器、惯导系统解算、星历、码相位延时转换、融合器、本地码生成器和延时器；分为前向支路，辅助信息支路与反馈支路；如图1所示。
所述前向支路包括天线、接收前端、混频器、相关器组、信号参数估计器以及融合器，能够获得接收信号每一颗卫星信号的幅值、相位与码延时参数，对于受欺骗干扰的卫星信号，经过信号参数估计器能够获得两组或以上的信号幅值、相位与码延时参数；所述前向支路的具体工作步骤如下：
1)GNSS信号经过天线模块的接收和放大，输入接收前端使模拟射频信号转换为数字中频信号，可写作：
其中，上标au表示真实卫星信号；下标i表示第i颗卫星信号；sIF，i(k)表示接收机在第k个采样时刻获得的第i颗卫星的中频信号；Ai(k)表示第i颗卫星信号在第k个采样时刻的幅值；Ci(kTs-τi(k))表示码延时为τi(k)的第i颗卫星信号的伪码序列,Ts表示采样周期；Di(kTs-τi(k))表示延时为τi(k)的第i颗卫星信号的导航数据码；cos((ωIF+ωD(k))kTs+φi(k))表示载波，ωIF、ωD(k)与φi(k)分别表示中频频率，多普勒频率与相位偏差。
当接收信号包含欺骗信号时，对于单颗卫星信号而言，接收机接收到的数字中频信号表示为：
其中n(k)表示接收机噪声；表示欺骗信号，与真实信号有相同的结构，但伪码延时、载波多普勒和相位延时会不同，具体表示为：
2)数字中频信号依次通过同相-正交相混频器与多路相关器，获得剥离载波后的一组具有不同延时时间的自相关值。多路相关器个数为2M+1个，相关器码片间隔为Δ码片，则第m个相关器(m∈[-M，-(M-1)，...，-1，0，1，...，M-1，M])输出同相信号Im(l)与正交相信号Qm(l)为：
其中，l表示第l个相干积分时间，Ncoh表示一个相干积分周期内所需的采样点个数；与表示前一相干积分时间估算的多普勒与相位偏差；τm表示第m个相关器的码延时，τm＝mΔ。
3)信号参数估计器利用极大似然估计方法获取真实信号与欺骗信号的信号幅值、相位与码延时信息，同时将估计参数输出至融合器。参数估计方法如下：
其中，^表示估计量；x＝1表示真实信号，x＝2表示欺骗信号；Rxx(τ)表示通过Im与Qm获得的实际相关函数；R(τ)为理想相关函数曲线；e表示自然常数；j为虚数单位。在具体解(5)、(6)与(7)时，通过不断调整理想相关曲线叠加后与测量相关曲线无线趋近获得；
4)融合器利用信号参数估计器输出的各信号参数，与辅助信息支路输入的辅助信号参数信息，即码延时与载波多普勒，进行检验，从而获得真实信号参数与欺骗信号参数。同时，融合器输出真实信号至辅助信息支路的码延时估计器，并将信号强度较大的信号认为须跟踪信号，输出至反馈支路的码生成器。
辅助信息支路主要用于提供辅助的码延时信息，供前向支路的融合器检测欺骗信号。该支路包括码延时估计器，惯导系统，以及外部星历信息。具体工作流程如下：
1)码延时估计器从惯导系统获得估计的接收机位置信息，并获得星历信息，根据星历信息计算卫星位置，通过卫星位置与接收机位置，以及相关的误差模型，估计接收机当前时刻到每颗可见星的伪距，从伪距进一步获得预测码延时，输出至前向支路的融合器；
2)码延时估计器从前向支路的融合器，获得经融合器处理后的当前时刻真实GNSS信号码延时，通过码延时计算接收机当前时刻距离每一颗可见星的伪距，并输出至惯导系统；
3)惯导系统根据码延时估计器输出的伪距，利用卡尔曼滤波器组合导航，修正自身器件误差。
反馈支路用于给GNSS接收机码跟踪环路提供控制量。主要包括码生成器与延时组。具体工作原理如下：
1)码生成器从前向支路的融合器获得码延时作为控制量，生成即时码；
2)延时组将生成的即时码，进行不同的时间延时，将具有不同时延的2M+1组本地码输出给前向支路的相关器组。且每一个延时器对应一个相关器。
本发明提出一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法。将信号算法反欺骗领域的应用进行探索性的研究；利用信号估计算法对类GNSS信号进行估计，并辅助惯性信息进行鉴别，融合信息进行欺骗信号和真实信号分辨；针对信号估计算法的应用辅以惯性导航信息提出了一种新的跟踪环路结构，既具备深组合为跟踪环路提供更多的参考量的特点，也具备松组合GNSS与惯性导航系统相对独立的算法复杂度低的特点的双重优势。实现一套集信号估计、检测和抑制欺骗信号、保持跟踪真实信号于一体的完备的反欺骗方案，极大抑制欺骗干扰且保证接收机工作的准确性和稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，其特征在于：分为前向支路，辅助信息支路与反馈支路；
所述前向支路能够获得接收信号每一颗卫星信号的幅值、相位与码延时参数，对于受欺骗干扰的卫星信号，经过信号参数估计器能够获得两组信号幅值、相位与码延时参数；前向支路包括天线、接收前端、混频器、相关器组、信号参数估计器以及融合器；具体工作步骤如下：
步骤(1-1)，GNSS信号经过天线模块的接收和放大，输入接收前端使模拟射频信号转换为数字中频信号：
<mrow> <msubsup> <mi>s</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>kT</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>kT</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> <msub> <mi>kT</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，上标au表示真实卫星信号；下标i表示第i颗卫星信号；sIF，i(k)表示接收机在第k个采样时刻获得的第i颗卫星的中频信号；Ai(k)表示第i颗卫星信号在第k个采样时刻的幅值；Ci(kTs-τi(k))表示码延时为τi(k)的第i颗卫星信号的伪码序列,Ts表示采样周期；Di(kTs-τi(k))表示延时为τi(k)的第i颗卫星信号的导航数据码；cos((ωIF+ωD(k))kTs+φi(k))表示载波，ωIF、ωD(k)与φi(k)分别表示中频频率，多普勒频率与相位偏差；
当接收信号包含欺骗信号时，对于单颗卫星信号而言，接收机接收到的数字中频信号表示为：
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>s</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>s</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，n(k)表示接收机噪声；上标sp表示欺骗信号，表示接收机在第k个采样时刻获得的第i颗卫星的中频欺骗信号，与真实信号有相同的结构，但伪码延时、载波多普勒和相位延时会不同，具体表示为：
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步骤(1-2)，数字中频信号依次通过同相-正交相混频器与多路相关器，获得剥离载波后的一组具有不同延时时间的自相关值；多路相关器个数为2M+1个，相关器码片间隔为Δ码片，则第m个相关器，m∈[-M，-(M-1)…，-1，0，1，…，M-1，M；]，输出同相信号Im(l)与正交相信号Qm(l)为：
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其中，l表示第l个相干积分时间，Ncoh表示一个相干积分周期内所需的采样点个数；与表示前一相干积分时间估算的多普勒与相位偏差；τm表示第m个相关器的码延时，τm＝mΔ；
步骤(1-3)，信号参数估计器利用极大似然估计方法获取真实信号与欺骗信号的信号幅值、相位与码延时信息，同时将估计参数输出至融合器；参数估计方法如下：
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其中，^表示估计量；x＝1表示真实信号，x＝2表示欺骗信号；Rxx(τ)表示通过Im与Qm获得的实际相关函数；R(τ)为理想相关函数曲线；在具体解(5)、(6)与(7)时，通过不断调整理想相关曲线叠加后与测量相关曲线无线趋近获得；
步骤(1-4)，融合器利用信号参数估计器输出的各信号参数，与辅助信息支路输入的辅助信号参数信息，即码延时与载波多普勒，进行检验，从而获得真实信号参数与欺骗信号参数；同时，融合器输出真实信号至辅助信息支路的码延时估计器，并将信号强度较大的信号认为须跟踪信号，输出至反馈支路的码生成器；
所述辅助信息支路用于提供辅助的码延时信息，供前向支路的融合器检测欺骗信号；
所述反馈支路用于给GNSS接收机码跟踪环路提供控制量。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，其特征在于：所述辅助信息支路包括码延时估计器，惯导系统，以及外部星历信息；具体工作步骤如下：
步骤(2-1)，码延时估计器从惯导系统获得估计的接收机位置信息，并获得星历信息，根据星历信息计算卫星位置，通过卫星位置与接收机位置，以及相关的误差模型，估计接收机当前时刻到每颗可见星的伪距，从伪距进一步获得预测码延时，输出至前向支路的融合器；
步骤(2-2)，码延时估计器从前向支路的融合器，获得经融合器处理后的当前时刻真实GNSS信号码延时，通过码延时计算接收机当前时刻距离每一颗可见星的伪距，并输出至惯导系统；
步骤(2-3)，惯导系统根据码延时估计器输出的伪距，利用卡尔曼滤波器组合导航，修正自身器件误差。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于惯性信息辅助与参数估计的GNSS反欺骗环路跟踪方法，其特征在于：所述反馈支路包括码生成器与延时组；具体工作步骤如下：
步骤(3-1)，码生成器从前向支路的融合器获得码延时作为控制量，生成即时码；
步骤(3-2)，延时组将生成的即时码，进行不同的时间延时，将具有不同时延的2M+1组本地码输出给前向支路的相关器组；且每一个延时器对应一个相关器。
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