CN107064963A - 一种虚假卫星星历的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星虚假星历的检测方法。该检测方法利用卫星先验星历和卫星新星历分别计算在新星历数据有效期内的多个历元时刻，卫星所在先验星历空间位置和新星历空间位置，将先验星历空间位置和新星历空间位置的距离差与预设门限进行比较，若比较结果均大于或等于预设的门限，则卫星新星历为虚假星历，若比较结果均小于预设的门限，则卫星新星历为真实星历。本发明还对检测为真实星历的卫星新星历的更新时刻进行优化。本发明提供的基于多历元时刻的卫星虚假星历的检测方法，无需接收多个卫星的导航信号进行定位，只需接收一颗导航卫星的导航信号，即可进行检测，对检测逐步拉偏式的虚假卫星星历效果明显，不增加硬件成本，有利于提高正确检测概率，也可用于卫星星历故障检测。

Description

一种虚假卫星星历的检测方法

技术领域

本发明涉及卫星定位导航领域，特别是涉及一种虚假卫星星历的检测方法。

背景技术

在卫星定位导航领域，由导航卫星向地面定位导航接收机发出的无线电信号中包含导航电文，而导航电文中包含卫星星历。卫星星历是以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定卫星的时间、坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。因此，地面定位导航接收机接收到卫星星历后，就可以对运行的导航卫星精确计算、预测、描绘，跟踪其时间、位置、速度等运行状态。而只有借助于卫星星历，地面定位导航接收机才能准确实时的计算卫星所处的空间位置，由此才能保证定位、测速、授时的准确性。

但在实际的生产生活中，存在虚假卫星星历的现象，就是通过播报虚假卫星星历来使地面导航接收机加以接收，从而会造成错误的定位。因此，对虚假卫星星历的检测成为地面导航接收机不得不面临的一项重要工作。

但是，虚假卫星星历的隐蔽性也在不断增强，特别是存在逐步拉偏式的虚假卫星星历，这种虚假卫星星历在被导航接收机刚接收后，其对卫星空间位置的计算与真实卫星星历的计算结果在更新起始时刻非常接近，因此，难以判断出这种虚假卫星星历。但随着时间的推移，这种虚假卫星星历采用渐进拉偏的方法，通过局部的、微调式的方式更改星历参数，逐步偏离真实卫星星历。因此，对虚假星历的检测判断不能仅靠一次检测、短时间内检测就能正确检测出来的。

现有技术中对虚假卫星星历的检测还存在漏检、误检的现象，使得虚假卫星星历能够轻易蒙蔽过关而取代真实的卫星星历。为此，需要进一步提高对虚假卫星星历的检测准确度。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种虚假卫星星历的检测方法，解决现有欺骗干扰检测技术中对渐进式修改卫星轨道参数的虚假卫星星历难以检测，确保真实卫星星历使用安全等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种虚假卫星星历的检测方法，由导航接收机接收导航电文，并从该导航电文中得到卫星星历，使用卫星先验星历，该导航接收机存储并使用真实的卫星先验星历；获取卫星新星历，该导航接收机从接收到的导航电文中得到卫星新星历；计算卫星空间位置，从该卫星先验星历和该卫星新星历中确定至少两个比较历元时刻，分别基于该卫星先验星历和该卫星新星历，计算在该比较历元时刻所对应的同一颗卫星的先验星历空间位置和新星历空间位置；星历虚假判断，将该先验星历空间位置和该新星历空间位置对应进行误差比较，若该误差结果均大于或等于预设检测门限，则该卫星新星历为虚假星历，若该误差结果均小于该预设检测门限，则该卫星新星历为真实星历，若该误差结果中既有小于预设检测门限又有大于或等于该预设检测门限，则该卫星新星历有待进一步检测。

在本发明虚假卫星星历的检测方法的另一个实施例中，在该星历虚假判断中若该卫星新星历为真实星历，则继续进行星历更新判断，若该卫星先验星历还处于其星历更新周期内，则不用该卫星新星历替换该卫星先验星历，继续使用该卫星先验星历，若该卫星先验星历到达其星历更新时刻，则使用经过最近一次该星历虚假判断中确认为真实星历的该卫星新星历来替换该卫星先验星历。

在本发明虚假卫星星历的检测方法的另一个实施例中，该比较历元时刻包括该卫星新星历的启用时刻和该卫星新星历的停用时刻。

在本发明虚假卫星星历的检测方法的另一个实施例中，该检测门限为15米。

在本发明虚假卫星星历的检测方法的另一个实施例中，该星历更新周期为1小时或2小时。

本发明的有益效果是：本发明提供的虚假卫星星历的检测方法利用卫星先验星历和卫星新星历分别计算在新星历数据有效期内多个比较历元时刻，卫星所在先验星历空间位置和新星历空间位置，将先验星历空间位置和新星历空间位置的距离差与预设门限进行比较，若比较结果均大于或等于预设的门限，则卫星新星历为虚假星历，若比较结果均小于预设的门限，则卫星新星历为真实星历。本发明还对检测为真实星历的卫星新星历的更新时刻进行优化。本发明提供的基于多历元时刻的卫星虚假星历的检测方法，对检测逐步拉偏式的虚假卫星星历效果明显，无需定位，对单星即可进行检测，不用增加硬件成本，有利于提高正确检测概率,也可用于卫星星历故障检测。

附图说明

图1是卫星广播下发卫星星历的历元时刻示意图；

图2是本发明虚假卫星星历的检测方法一实施例的流程图；

图3是本发明虚假卫星星历的检测方法另一实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。

图1显示了导航卫星广播下发卫星星历的历元时刻示意图。正常情况下，T0时刻是卫星星历的一个星历更新历元时刻，卫星广播下发新的卫星星历。再经过一个周期后，在T1时刻，这也是卫星星历的一个星历更新历元时刻，卫星将取代T0时刻下发的卫星星历，更新为新的卫星星历下发，而T0时刻下发的卫星星历可以视为T1时刻下发的卫星星历的先验星历。图1中还显示了在星历更新历元时刻T0与T1之间还有t01、t02、t03……t0n等历元时刻，在t01、t02、t03……t0n等这些历元时刻，卫星重复播发T0时刻的卫星星历。星历更新历元时刻T0与T1之间的这段时间周期我们称之为星历更新周期。实际应用中，星历更新周期较为稳定，例如GPS的星历更新周期为2个小时，北斗导航系统的星历更新周期为1个小时。

当导航接收机接收来自卫星广播下发的卫星星历时，由于导航接收机开机、复位等操作具有随机性，导航接收机接收的卫星星历不一定正好是在T0等星历更新历元时刻，而是有可能是在t01、t02、t03……t0n等卫星星历重复播发的这些时刻。正常情况下，导航接收机接收的这些卫星星历都是真实星历。

对于存在虚假卫星星历的欺骗干扰现象，我们需要提供尽可能可靠的检测方法，提高对虚假卫星星历的检测概率。

图2显示了本发明虚假卫星星历的检测方法的一实施例。由导航接收机不断接收导航电文，并从该导航电文中得到卫星星历。

首先，在步骤S1，使用卫星先验星历，导航接收机存储并使用真实的卫星先验星历。

步骤S1表明导航接收机处于正常的工作状态，当前正在使用真实的卫星先验星历。

然后，在步骤S2，获取卫星新星历，导航接收机从接收到的导航电文中得到卫星新星历。

这里的导航电文既可能是真实的导航电文，也可能是虚假的导航电文。因此，卫星新星历也可能是虚假的卫星星历，需要对其进行检测。卫星新星历的到来时机也具有随机性，比如可能在图1所示的T0与T1之间的任一时刻被导航接收机所接收。

接着，在步骤S3，计算卫星空间位置，从卫星新星历中找到至少两个比较历元时刻，分别基于该卫星先验星历和卫星新星历，计算在比较历元时刻所对应的同一颗卫星的先验星历空间位置和新星历空间位置。

具体而言，从卫星新星历M1中选择两个比较历元时刻tx1和tx2(也可以是两个以上的比较历元时刻，在卫星新星历有效期内选择，历元时刻的间隔越大越好)，这里的比较历元时刻主要是用于选择在不同的历元时刻，比较基于卫星先验星历和卫星新星历计算的卫星空间位置的差异。并且，可以选择同一颗卫星sa1，根据该卫星先验星历M1，该卫星sa1在历元时刻tx1和tx2的先验星历空间位置分别对应是sma1(xm1，ym1，zm1)、sma2(xm2，ym2，zm2)。也从卫星新星历Q1中对应找到这两个历元时刻tx1和tx2，也选择同一颗卫星sa1，根据该卫星新星历Q1，该卫星sa1在历元时刻tx1和tx2的新星历空间位置分别是sqa1(xq1，yq1，zq1)、sqa2(xq2，yq2，zq2)。其中，(xm1，ym1，zm1)、(xm2，ym2，zm2)、(xq1，yq1，zq1)、(xq2，yq2，zq2)分别表示该卫星在空间直角坐标系的中三维坐标。

优选的，对于两个比较历元时刻tx1和tx2对应优选为该卫星新星历M1的启用时刻和该卫星新星历M1的停用时刻。卫星新星历M1的启用时刻是指该卫星新星历M1作为卫星新星历更新替代之前的卫星星历而开启使用的历元时刻，卫星新星历M1的停用时刻是指该卫星新星历M1被卫星更新星历所替代而停止使用的历元时刻。

进一步的，在步骤S4，星历虚假判断，将先验星历空间位置和新星历空间位置对应进行误差比较，若误差结果均大于或等于预设检测门限，则卫星新星历为虚假星历，若误差结果均小于预设检测门限，则卫星新星历为真实星历，若误差结果中既有小于预设检测门限又有大于或等于该预设检测门限，则卫星新星历有待进一步检测。

具体而言，根据前述内容，比较先验星历空间位置sma1(xm1，ym1，zm1)和新星历空间位置sqa1(xq1，yq1，zq1)的误差，即这两个卫星空间位置的距离Lmq1，Lmq1＝|sma1(xm1，ym1，zm1)-sqa1(xq1，yq1，zq1)|，再比较先验星历空间位置sma2(xm2，ym2，zm2)和新星历空间位置sqa2(xq2，yq2，zq2)的误差，即这两个卫星空间位置的距离Lmq2，Lmq2＝|sma2(xm2，ym2，zm2)-sqa1(xq2，yq2，zq2)|。然后，再与检测门限比较，预设的检测门限设为CK1。若Lmq1大于或等于CK1，并且Lmq2也大于或等于CK1，则表示新星历与先验星历偏差较大，卫星新星历为虚假星历；若Lmq1小于CK1，并且Lmq2也小于CK1，则表示新星历与先验星历偏差较小，卫星新星历为真实星历；另外一种情况是，Lmq1小于CK1，Lmq2大于或等于CK1，或者，Lmq1大于或等于CK1，Lmq2小于CK1，针对这种误差结果中既有小于预设检测门限又有大于或等于该预设检测门限的情况，则不能表明新星历与先验星历的偏差情况，则对卫星新星历有待进一步检测。优选的，检测门限设CK1为15米。

由步骤S3和S4可以看出，从卫星先验星历中选择了两个比较历元时刻，还可以选择更多的比较历元时刻，分别在这些比较历元时刻，将卫星先验星历中某一颗卫星的空间位置与卫星新星历中该卫星的空间位置进行比较，我们可以称之为多历元时刻的空间位置比较。这种方式，与单一历元时刻空间位置比较而言能够明显提高对虚假星历的检测概率。这是因为虚假星历在刚被导航接收机接收时，其卫星星历中的星历参数与先验星历中的星历参数比较接近，因此从卫星空间位置的偏差难以判断卫星新星历的真假。而随着时间的推移，虚假星历的欺骗作用开始发挥，其卫星星历与真实的卫星星历逐步偏开，因此在后续的时间中选择某一历元时刻，再将先验星历计算的卫星空间位置与卫星新星历计算的卫星空间位置进行比较，则容易发现这种较大偏差，因此能够提高对虚假卫星星历的检测概率。当然，若选择的历元时刻进一步增多，则有利于进一步提高检测的精准度。

以下表1显示了一个实施例中星历中的6个轨道参数的数据改变对卫星位置误差的影响。以第一行为例，其中的半长轴对应的“更改bit位”是“10(0->1)↑”，其中的“10”表示是以二进制10个bit来表示参数半长轴对应的数值，“(0->1)”表示该10bit数据的最后一位由0更改为1，“↑”表示引起位置误差的增大。其它参数对应的“更改bit位”做类似理解。由表1可以看出，当更改这些轨道参数对应二进制数据的最后一位时，在卫星新星历的启用时刻偏差不大，但随历元时刻的推移，虚假卫星位置与真实位置之间的偏差比较明显，例如在10分钟时偏差为10.0807米，30分钟时偏差为10.6152米，60分钟时12.4704米。

表1星历轨道参数的数据篡改对卫星位置偏差的影响

图3显示了本发明虚假卫星星历的检测方法的另一实施例。与图2相比较，图3中进一步增加了步骤S5，即星历更新判断，前提是在星历虚假判断S4中若卫星新星历为真实星历，若卫星先验星历还处于其星历更新周期内，则不用卫星新星历替换卫星先验星历，继续使用卫星先验星历，若卫星先验星历到达其星历更新历元时刻(如图1中的T1)，则使用经过最近一次在步骤S4星历虚假判断中确认为真实星历的卫星新星历来替换卫星先验星历。结合前述步骤S4和图1所示内容，若导航接收机所使用的先验星历仍然处于历元时刻T0时刻与T1时刻之间，即当前使用的先验星历还处于该先验星历的星历更新周期内，即便在步骤S4中检测出导航接收机所接收的卫星新星历为真实星历，也不必在该更新周期内用卫星新星历替换先验星历，而是继续使用该先验星历，直到到达该先验星历的下一个星历更新历元时刻，使用经过最近一次步骤S4的星历虚假判断中确认为真实星历的卫星新星历来替换该卫星先验星历。

步骤S5中之所以对判断为真实星历的卫星新星历不立刻去更替已有的先验星历，这是由于在先验星历下一个星历更新历元时刻到来之前，该先验星历仍能够满足使用要求。再就是新的卫星星历可能一直处于不断的更新中，如果在步骤S4中出现误判、误检的情况，将原本是虚假星历的卫星新星历误判为真实星历，然后直接替换已有的先验星历，这样先验星历就被替换成虚假星历，而后续的卫星新星历也是虚假星历，这两个虚假星历具有延续性和相关性，则难以通过比较虚假星历中的卫星位置误差来识别这个虚假星历，而导航接收机将植入该虚假星历，被该虚假星历所控制，失去了导航定位的安全性。

由此可见，本发明提供的虚假卫星星历的检测方法利用卫星先验星历和卫星新星历分别在多个比较历元时刻，计算卫星所在的先验星历空间位置和新星历空间位置，将先验星历空间位置和新星历空间位置的距离差与预设门限进行比较，若比较结果均大于或等于预设的门限，则卫星新星历为虚假星历，若比较结果均小于预设的门限，则卫星新星历为真实星历。本发明还对检测为真实星历的卫星新星历的更新时刻进行优化。本发明提供的基于多历元时刻的卫星虚假星历的检测方法，无需定位，单星即可进行检测，对检测逐步拉偏式的虚假卫星星历效果明显，不用增加硬件成本，有利于提高正确检测概率，也可用于卫星星历故障检测。

以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种虚假卫星星历的检测方法，由导航接收机接收导航电文，并从所述导航电文中得到卫星星历，其特征在于，

使用卫星先验星历，所述导航接收机存储并使用真实的卫星先验星历；

获取卫星新星历，所述导航接收机从接收到的导航电文中得到卫星新星历；

计算卫星空间位置，从所述卫星先验星历和所述卫星新星历中确定至少两个比较历元时刻，分别基于所述卫星先验星历和所述卫星新星历，计算在所述比较历元时刻所对应的同一颗卫星的先验星历空间位置和新星历空间位置；

星历虚假判断，将所述先验星历空间位置和所述新星历空间位置对应进行误差比较，若所述误差结果均大于或等于预设检测门限，则所述卫星新星历为虚假星历，若所述误差结果均小于所述预设检测门限，则所述卫星新星历为真实星历，若所述误差结果中既有小于预设检测门限又有大于或等于所述预设检测门限，则所述卫星新星历有待进一步检测。

2.根据权利要求1所述的虚假卫星星历的检测方法，其特征在于，在所述星历虚假判断中，若所述卫星新星历为真实星历，则继续进行星历更新判断，若所述卫星先验星历还处于其星历更新周期内，则不用所述卫星新星历替换所述卫星先验星历，继续使用所述卫星先验星历，若所述卫星先验星历到达其星历更新时刻，则使用经过最近一次所述星历虚假判断中确认为真实星历的所述卫星新星历来替换所述卫星先验星历。

3.根据权利要求1所述的虚假卫星星历的检测方法，其特征在于，所述比较历元时刻包括所述卫星新星历的启用时刻和所述卫星新星历的停用时刻。

4.根据权利要求3所述的虚假卫星星历的检测方法，其特征在于，所述检测门限为15米。

5.根据权利要求4所述的虚假卫星星历的检测方法，其特征在于，所述星历更新周期为1小时或2小时。