CN106886034B - 一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法，基于多个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置。相比于现有的TDoA干扰源定位技术所需多用户、且不同用户间需严格时间同步，本发明无此需求，大大简化了应用复杂度，更利用推广应用。

Description

一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法

技术领域

本发明涉及导航定位领域，更具体地，涉及基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)，包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗以及其它区域系统和增强系统，能够为全球用户提供准确的定位、导航、授时服务，由于良好的性能和低廉的成本，已经广泛应用于商业、运输、电力、航空航天、抗震救灾等领域，另外在军事上也有极其重要的地位。但导航卫星距离地球较远，到达地面的信号功率微弱，民用导航系统结构开放，信号体制公开，这些因素使人为欺骗卫星导航接收设备成为可能。欺骗攻击是一种恶意干扰，通过向接收机发送伪造或经过延迟的导航信号，欺骗攻击可以误导接收机产生错误的位置和时间信息。

为防御欺骗干扰，反欺骗技术已成为当前卫星导航领域研究热点。现有反欺骗技术，包括单天线、双天线、多天线、功率检测、信号质量监测、载波相位双差、环路状态监测、接收机自主完好性监测、转发式聚类、最大似然估计等技术，基本上都是一种“被动”防御技术，主要研究如何检测是否存在虚假信号(称为欺骗检测)、哪个或哪些是虚假信号(称为欺骗识别)以及如何抑制欺骗干扰对用户的影响(称为欺骗抑制)。这些技术仅能使采用了该技术的用户受益，并不能消除欺骗源的存在。另一方面，若我们能“主动”对欺骗干扰源进行定位，利用所得位置信息清除欺骗干扰源，则可以做到“一劳永逸”，使较大范围内用户受益。因此，如何实现欺骗干扰源定位是防御欺骗干扰的另一有效途径。

现有的干扰源定位技术，主要包括到达角(AOA)、接收信号强度(RSS)、到达时间差(TDOA)、到达频率差(FDOA)等。但这些技术都是将干扰源单纯地看作干扰信号来处理。而欺骗干扰，它不仅是一种干扰，而且是一种可以被接收使用的导航信号。因此，通过挖掘虚假信号是一种可以被接收使用的导航信号这一特点，将能研究出更加高效的欺骗干扰源定位技术。

欺骗干扰，按实施方式不同，可分为自主产生式欺骗干扰和转发式两类。其中，自主产生式欺骗干扰，需要提前获得导航信号结构、伪码、电文等信息。这类干扰仅对公开民用信号存在，对加密的授权信号不存在。与之相对的，转发式欺骗干扰，仅需对信号进行延迟、播发，无需进行任何信息层面处理，因此对所有导航信号均存在。自主产生式欺骗和转发式欺骗干扰，欺骗用户的方式存在较大差异，其相应的干扰源定位方式也存在较大不同。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法，基于多个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述欺信时差为所述卫星发射的真实信号和所述欺骗源转发的、对应所述真实信号的虚假信号分别到达所述单用户的时间的差值。

本申请提出一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法，通过测量虚假信号相对于真实信号的到达时间差即欺信时差，反向实现欺骗源定位，可为寻找并清除欺骗源提供所必需的位置信息。在干扰监测网络、干扰源定位中具有重要应用价值。相比于现有的TDoA干扰源定位技术所需多用户、且不同用户间需严格时间同步，本发明无此要求，这将大大简化本发明的应用复杂度，更利用推广应用。

附图说明

图1为理想状态下欺骗源可能的位置示意图；

图2为现实中欺骗源可能的位置示意图；

图3为根据本发明实施例的所述定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了理想状态下欺骗源可能的位置示意图，假定欺骗源一旦接收到卫星信号就立刻转发出去，此时卫星A的直达信号(即真实信号)和转发信号(即欺骗源发送的虚假信号)到达用户u的时间差τ(简称欺信时差)将由卫星位置P_A(t)、欺骗源位置P_s、用户位置P_u间相对位置几何关系决定，且满足：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||-||P_u-P_A(t)||＝τc (1)

即：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||＝||P_u-P_A(t)||+τc (2)

||P_s-P_u||表示欺骗源与用户间欧式距离，其它式含义与此相似，c表示无线电波传输速率即光速。式(2)表示，欺骗源将处于以卫星位置P_A(t)和用户位置P_u为焦点，且到这两个焦点的距离等于用户与卫星间几何距离||P_u(t)-P_A(t)||、与欺信时差所代表的距离τc之和，所共同确定的一个椭球面上。按照椭球交汇原理，只需三次测量就可以确定欺骗源的位置。

而现实中，欺骗源往往会对卫星信号进行一定延迟后再播发出去。在此，将卫星信号从进入欺骗源至被播发出去所经历的时延称为插入时延，假定该时延为τ_d。该时延将直接体现在所测量的欺信时差τ中。如图2所示，此时，卫星位置P_A(t)、欺骗源位置P_s、用户位置P_u间相对位置几何关系，及τ_d、τ将满足：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||-||P_u-P_A(t)||+τ_dc＝τc (3)

即：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||＝||P_u-P_A(t)||+(τ-τ_d)c (4)

由于插入时延τ_d受欺骗源控制，是未知的，因此此时欺骗源将处于以卫星位置P_A(t)和用户位置P_u为焦点的一个椭球环内。

图2示出了现实中欺骗源可能的位置示意图，其中图2中的阴影部分为欺骗源可能的位置。为了解决这个未知参数τ_d，需要一个额外的观测量，即至少需要4次测量。因此，对一个已知位置为P_u的用户，利用至少4个时刻{t₁,t₂,t₃,t₄}的卫星位置{P_A(t₁),P_A(t₂),P_A(t₃),P_A(t₄)}和欺信时差{τ₁,τ₂,τ₃,τ₄}，根据用户、卫星、欺骗源间相对位置几何关系就可以计算出欺骗源位置P_s，如式(5)所示。

需要说明的是，与目前已得到较为广泛应用的到达时间差(TDoA)定位技术相比，本发明虽然也是测量信号“时差”，但二者存在较大不同：TDoA测量的是同一信号(即干扰源)到达不同用户的时间差，采用的是“双曲线”定位原理；而本发明测量的是同一信号(卫星信号)通过不同路径(一是卫星与用户间直达路径，二是经过欺骗源的转发路径，如图1、图2所示)到达同一用户的时间差，采用的是“椭球”定位原理。定位原理不同，导致二者在使用时存在较大不同：TDoA技术要求有多个用户，且不同用户间需严格时间同步，而本发明技术则无此要求，这就大大简化了本发明的应用复杂度。

从图1、图2可以看到，卫星位置、用户位置和欺信时差是实现欺骗源定位的三个核心要素。

本发明提供了一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法，基于多个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述欺信时差为所述卫星发射的真实信号和所述欺骗源转发的、对应所述真实信号的虚假信号分别到达所述单用户的时间的差值。

当用户只接收到一个卫星的虚假信号时，图3示出了本发明实施例的所述定位方法的流程示意图，如图3可知，所述定位方法包括3个步骤：

S1、对所述单用户接收的信号进行识别，获得真实信号和虚假信号，基于所述真实信号和虚假信号，分别获得至少4个时刻的所述单用户的位置和对应所述虚假信号的单卫星的位置；

S2、基于真假信号发射时间对比法或者用户位置反向计算法分别获得对应所述步骤S1中至少4个时刻的欺信时差；以及

S3、基于所有时刻的所述单用户的位置、单卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置。

本发明通过测量虚假信号相对于真实信号的到达时间差即欺信时差，反向实现欺骗源定位，可为寻找并清除欺骗源提供所必需的位置信息。在干扰监测网络、干扰源定位中具有重要应用价值。相比于现有的TDoA干扰源定位技术所需多用户、且不同用户间需严格时间同步，本发明无此要求，这将大大简化本发明的应用复杂度，更利用推广应用。

在一个具体实施例中，所述步骤S1中对所述单用户接收的信号进行识别，包括：

对所述单用户同时接收的同一卫星的各信号分别进行接收处理，提取信号发射时间，发射时间大者为真实信号，发射时间小者为虚假信号。为避免误解为用户接收到的不同卫星的信号，这里加入了限定词“同一卫星的”。正常情况下，一颗卫星对应一个信号，但当存在转发式欺骗干扰时，将收到一颗卫星对应的多个信号。正常情况下，用户能接收到多个卫星的信号。

在一个具体实施例中，对所述单用户接收的信号进行识别还可以利用其它现有欺骗干扰检测、识别技术(例如，单天线、双天线、多天线、功率检测、信号质量监测、载波相位双差、环路状态监测、接收机自主完好性监测、转发式聚类、最大似然估计等技术)，辨别出哪些是真实信号、哪些是虚假信号。

在一个具体实施例中，所述步骤S1中获得所述单用户的位置，包括：

对识别出的所述真实信号进行定位解算，获得用户的位置。所述定位解算的方法属于公知常识，不属于本发明的说明范畴。

在一个具体实施例中，当用户的位置已知时(例如，对于地面监测接收设备，其位置信息是已知的)，用户的位置不需要计算，直接利用即可。

在一个具体实施例中，所述步骤S1中获得对应所述虚假信号的单卫星的位置，包括：

从所述单用户接收的信号中提取导航电文，从所述导航电文中获得星历。转发式欺骗干扰不会篡改导航电文，因此无论是虚假信号还是真实信号中的导航电文都是可以利用的，而导航电文中的一些参数就是所述星历。

当然，也可以从网络等其它途径获取星历信息，世界上有很多网站会公布卫星星历，可直接下载得到。

进一步地，从所述虚假信号中选择一个虚假信号，假定该虚假信号是针对卫星A的，根据上述步骤获取的星历和当前时间t₁，计算该虚假信号对应的卫星位置，记为P_A(t₁)。

在一个具体实施例中，所述真假信号发射时间对比法包括；

当所述单用户同时接收到同一卫星的真实信号和虚假信号时，对二者同时进行接收处理，分别提取真实信号的发射时间信息和虚假信号的发射时间信息，并将两个发射时间信息的差值作为所述欺信时差。

在一个具体实施例中，当用户无法接收到与欺骗信号对应的同一颗卫星的真实信号时，采用所述用户位置反向计算法：

基于真实信号进行定位解算，获得单用户位置；

基于所述单用户位置和单卫星位置，获得直达信号的传输时延，作为第一时延；

通过所述单用户的本地时间与从虚假信号中提取得到的信号发射时间做差，获得第二时延；以及

将所述第一时延与第二时延做差，获得所述欺信时差。

在一个具体实施例中，所述步骤S3包括：

将上述步骤所获得的用户的位置、卫星的位置以及欺信时差记为{P_u(t₁),P_A(t₁),τ₁}，组成对应t₁时刻的第一组观测量；

按一定时间间隔，在后续三个时刻{t₂,t₃,t₄}测量得到三组用户位置、卫星位置、欺信时差，并分别记为{P_u(t₂),P_A(t₂),τ}₂，{P_u(t₃),P_A(t₃),τ₃}，{P_u(t₄),P_A(t₄),τ₄}，它们分别组成第二、三、四组观测量。

将每个时刻的单卫星位置、单用户位置和欺信时差组成一组方程：

||P_s-P_A(t)||+||P_s-P_u||＝||P_u-P_A(t)||+(τ-τ_d)c，

其中，P_s为欺骗源的位置，P_A为t时刻卫星的位置，P_u为单用户的位置，τ_d为插入时延，τ为欺信时差，c为光速；

利用所述4组观测量，按式(6)联列方程并求解，可得欺骗源位置P_s及该欺骗源对卫星信号引入的插入时延τ_d。

式(6)中，c为光速；由于位置是三维坐标，因此欺骗源位置可表示为P_s＝{x_s,y_s,z_s}，在4个不同时刻的用户位置、卫星位置可进一步分别表示为P_u(t_i)＝{x_u(t_i),y_u(t_i),z_u(t_i)}(i＝1,2,3,4)和P_A(t_i)＝{x_A(t_i),y_A(t_i),z_A(t_i)}(i＝1,2,3,4)。式(6)中，它们之间的距离可进一步表示为

优选地，考虑到存在测量误差，还可以通过增加测量次数来进一步提高欺骗源定位精度。假定总测量次数为N(N≥4)，相应的测量时刻为{t₁,t₂,...,t_N}，此时可得方程式(7)：

对式(7)进行求解，可得到欺骗源的位置P_s。对式(6)、式(7)，一种可行的求解方法是，先对它们进行线性化处理，然后再利用最小二乘算法求解。当然也可以采用其它数学方法求解

在一个实施例中，当用户同时接收到两颗卫星的虚假信号，当所述欺骗源对各卫星引入的插入时延相同时，基于至少2个时刻的单用户的位置、两颗卫星的位置以及分别对应两颗卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置。

具体地，通过2个时刻{t₁,t₂}测量可得方程式(8)，对其进行求解就可以得到欺骗源位置P_s：

式(8)中，τ_1,A、τ_2,A分别表示用户在t₁、t₂时刻测量得到的针对卫星A的虚假信号的欺信时延，τ_1,B、τ_2,B分别表示用户在t₁、t₂时刻测量得到的针对卫星B的虚假信号的欺信时延。式(8)中仅P_s和τ_d是未知的，共4个未知参数。

需要注意的是，P_s表示三维位置信息，因此其含有3个未知参数，因此对该式中的4个方程联列求解就可以得到欺骗源位置。

在一个具体实施例中，当用户同时接收到两颗卫星的虚假信号，当所述欺骗源对各卫星引入的插入时延不同时，基于至少3个时刻的单用户的位置、两颗卫星的位置以及分别对应两颗卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置。

具体地，通过3个时刻{t₁,t₂,t₃}测量可得方程式(9)，对其进行求解就可以得到欺骗源位置P_s：

式(9)中τ_1,A、τ_2,A、τ_3,A分别表示用户在t₁、t₂、t₃时刻测量得到的针对卫星A的虚假信号的欺信时延，τ_1,B、τ_2,B、τ_3,B分别表示用户在t₁、t₂、t₃时刻测量得到的针对卫星B的虚假信号的欺信时延。式(9)中仅P_s和{τ_d,A,τ_d,B}是未知的，共5个未知参数。

需要注意的是，P_s表示三维位置信息，因此其含有3个未知参数，因此对该式中的6个方程联列求解就可以得到欺骗源位置。

当用户同时接收到2～3颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延相同时，基于至少2个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及分别对应的卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置；当用户同时接收到至少四颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延相同时，基于一个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及分别对应卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置。

在一个实施例中，当用户同时接收到M颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延不同时，基于至少K个时刻的单用户的位置、颗卫星的位置以及分别对应颗卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述M＞3，K≥(M+3)/M。

在此以GPS C/A码信号为例讲述该方法的实施步骤。但方法的实施并不局限于特定的信号及具体的参数，可灵活选择。假定当前真实卫星信号是卫星号为2、6、7、8、10、24的信号。存在一个转发式欺骗干扰源，该干扰源对卫星号为24的卫星信号进行转发干扰。

实施步骤如下：

步骤1：对接收到的GPS C/A码信号进行正常捕获、跟踪处理；

步骤2：由于转发信号的存在，用户将收到2个卫星号为24的卫星信号；

步骤3：对步骤2中2个24号卫星信号同时进行接收处理，提取各自的发射时间信息，以及星历信息(注：由于转发欺骗不会篡改星历，因此2个信号提取得到的星历是一样的)；

步骤4：对步骤3所得发射时间信息进行比较，发射时间大者为真实信号，发射时间小者为虚假信号；

步骤5：将步骤4中发射时间大者对应的24号卫星信号与其它卫星信号(即卫星号为2、6、7、8、10的卫星信号)，按正常导航信号接收方法进行处理，并进行定位解算，得到用户位置和当前时间；

步骤6：利用步骤3得到的星历和步骤5得到的当前时间，计算24号卫星的位置；

步骤7：对步骤4所得发射时间作差，可得24号卫星的虚假信号相对于真实信号的时延量即欺信时差；

步骤8：步骤5所得用户位置、步骤6所得卫星位置、步骤7所得欺信时差组成一组观测量；

步骤9：每间隔一段时间(例如5分钟)，重复步骤4～8得到由用户位置、卫星位置和欺信时差组成的第二组、第三组、第4组观测量；

步骤10：对步骤8、步骤9所得4组观测量按式(6)联列方程并求解，就可以得到欺骗源位置即实现欺骗源定位。

相比于现有干扰源定位技术，包括到达角(AOA)、接收信号强度(RSS)、到达时间差(TDOA)、到达频率差(FDOA)等，本发明利用转发式欺骗干扰不仅是一种干扰，而且是一种可以被接收使用的导航信号这一特点，通过对虚假信号进行测量反向实现对欺骗干扰源定位。

目前已有一些转发式欺骗干扰源定位技术，但要求欺骗源同时转发4颗以上卫星信号，且对各卫星信号的插入时延相同(即所有卫星信号从进入欺骗源至出欺骗源的时延量相同)。而本发明并无此要求。例如，即使欺骗源仅仅转发了一颗卫星的信号，本发明也适用。

从式(6)、(7)、(8)、(9)可以看到，本发明要求在对欺骗干扰源进行定位期间，欺骗源的位置、欺骗源对转发的卫星信号(即虚假信号)引入的插入时延基本保持不变。即式(6)、(7)、(8)中的P_s、τ_d不是随时间变化的；式(9)中的P_s、τ_d,A、τ_d,B不是随时间变化的。本发明的优点在于，仅一个用户就可以实现欺骗干扰源定位，成本低廉，实现简单。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单用户多点的转发式欺骗源的定位方法，其特征在于，基于多个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述欺信时差为所述卫星发射的真实信号和所述欺骗源转发的、对应所述真实信号的虚假信号分别到达所述单用户的时间的差值；

其中，当用户只接收到单卫星的虚假信号是，基于至少4个时刻的单用户的位置、卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置；

当用户同时接收到2或3颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延相同时，基于至少2个时刻的单用户的位置、两颗卫星的位置以及分别对应的卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置；

当用户同时接收到两颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延不同时，基于至少3个时刻的单用户的位置、两颗卫星的位置以及分别对应两颗卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置；

当用户同时接收到M颗卫星的虚假信号，且所述欺骗源对各卫星引入的插入时延不同时，基于至少K个时刻的单用户的位置、颗卫星的位置以及分别对应颗卫星的欺信时差，获得欺骗源的位置；

其中，所述M＞3，K≥(M+3)/M。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，当用户只接收到一个卫星的虚假信号时，所述定位方法具体包括：

S1、对所述单用户接收的信号进行识别，获得真实信号和虚假信号，基于所述真实信号和虚假信号，分别获得至少4个时刻的所述单用户的位置和对应所述虚假信号的单卫星的位置；

S2、基于真假信号发射时间对比法或者用户位置反向计算法分别获得对应所述步骤S1中所有时刻的欺信时差；以及

S3、基于所有时刻的所述单用户的位置、单卫星的位置以及欺信时差，获得欺骗源的位置。

3.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S1中对所述单用户接收的信号进行识别，包括：

对所述单用户同时接收的同一卫星的各信号分别进行接收处理，提取信号发射时间，发射时间早者为真实信号，发射时间晚者为虚假信号。

4.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S1中获得所述单用户的位置，包括：

对识别出的所述真实信号进行定位解算，获得用户的位置。

5.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S1中获得对应所述虚假信号的单卫星的位置，包括：

从所述单用户接收的信号中提取导航电文，从所述导航电文中获得星历；以及

基于所述星历和当前时间，获得对应所述虚假信号的单卫星的位置。

6.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述真假信号发射时间对比法包括；

当所述单用户同时接收到同一卫星的真实信号和虚假信号时，对二者同时进行接收处理，分别提取真实信号的发射时间信息和虚假信号的发射时间信息，并将两个发射时间信息的差值作为所述欺信时差。

7.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述用户位置反向计算法包括：

基于真实信号进行定位解算，获得单用户位置；

基于所述单用户位置和单卫星位置，获得直达信号的传输时延，作为第一时延；

通过所述单用户的本地时间与从虚假信号中提取得到的信号发射时间做差，获得第二时延；以及

将所述第一时延与第二时延做差，获得所述欺信时差。

8.如权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

将每个时刻的单卫星位置、单用户位置和欺信时差分别组成一组方程：

联列所有时刻的所述方程，获得欺骗源的位置。