CN107544074A - 一种无人机识别虚假gps信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机识别虚假GPS信号的方法，具有GPS导航系统，步骤为：系统初始化；根据陀螺仪测量的角速度计算出坐标从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；根据GPS接收器的GPS数据，计算无人机的基于地理坐标系的加速度；利用转换矩阵，将基于地理坐标系的加速度转换成基于无人机机体坐标系的加速度；将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度；对上述两个加速度进行比较，并根据比较结果判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗；如果比较结果的差值大于规定域值，则无人机GPS设备被虚假GPS信号欺骗。本发明可在无人机未被劫持或被劫持情况下分别进行判断，漏判率低，判断正确性高。

Description

一种无人机识别虚假GPS信号的方法

技术领域

本发明涉及一种无人机飞行安全技术，具体地说是一种无人机识别虚假GPS信号的方法。

背景技术

近年来，无人机应用越来越广泛，但无人机安全问题暴露的却越来越严峻，特别是利用常用且易于实现的虚假GPS信号来欺骗GPS接收器的攻击，从而影响无人机GPS的定位，导致无人机背离既定航线。这种情况无论对军用还是民用无人机来说，都是重大甚至是灾难性的损失和灾难。目前，现有的判断无人机的GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗技术有的需要额外的硬件支持，有的需要复杂的算法实现，这两者都不能很好地适用在拥有较低处理能力的无人机上。

发明内容

针对现有技术中判断无人机的GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗需要额外的硬件支持和复杂的算法实现这一不足，本发明要解决的问题是提供一种算法简单、易于实现的无人机识别虚假GPS信号的方法，

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种无人机识别虚假GPS信号的方法，具有GPS导航系统，包括以下步骤：

系统接收GPS接收器、陀螺仪和加速度计采集的数据，并进行初始化处理；

根据陀螺仪测量的角速度计算出坐标从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

根据GPS接收器的GPS数据，计算无人机的基于地理坐标系的加速度；

利用上述转换矩阵，将上述基于地理坐标系的加速度转换成基于无人机机体坐标系的加速度；

将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度；

比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度，并根据比较结果判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗；

如果比较结果的差值大于规定域值，则无人机GPS设备被虚假GPS信号欺骗。

将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度通过以下公式实现：

A^*(t)＝M^-1(t)×A(t)

其中，A(t)为GPS计算得到的加速度，A^*(t)为无人机机体坐标系的加速度，M^-1(t)为地理坐标系的坐标转换矩阵。

比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度步骤如下：

设第一～四临界值ε，μ，ρ，δ为大于0的常数，N为规定时间段内GPS采样点的总数，Δa_y为沿飞机右侧方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δa_y|≤ε，并且从该点开始到接下来第N个Δa_y值的平均值，如果大于μ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δa_y|＞ε，并且从该点开始到接下来第N个Δa_y值的平均值，如果不大于μ，则认无人机GPS接收器未被虚假GPS信号欺骗。

本发明还包括以下步骤：

设Δa_x为沿飞机前进方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δa_y|≤ε，但是|Δa_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δa_x值的方差，如果大于δ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δa_y|≤ε，但是|Δa_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δa_x值的方差，如果不大于δ，则认无人机GPS接收器没有被虚假GPS信号欺骗。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法可在无人机未被劫持的情况下，判定无人机GPS接收器被虚假GPS信号劫持的可能性低(即漏判率低)，在无人机被劫持的情况下，判定无人机GPS接收器被虚假GPS信号劫持的可能性高(即判断正确性高)。

2.本发明消除了加速度计算位置信息的2次积分，使得结果更加准确，方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明方法原理示意图；

图2为本发明方法中涉及的机体坐标系示意图；

图3A为本发明方法中无人机在正常情况下飞行时，得到的估计加速度和真实加速度之间的垂直方向的差值；

图3B为本发明方法中无人机在正常情况下飞行时，得到的估计加速度和真实加速度之间的沿无人机前进方向的差值；

图3C为本发明方法中无人机在正常情况下飞行时，得到的估计加速度和真实加速度之间的沿无人机右侧方向的差值；

图4A为本发明方法中无人机GPS接收器被虚假GPS信号欺骗的情况下飞行时得到的估计加速度和真实加速度之间的垂直方向的差值；

图4B为本发明方法中无人机GPS接收器被虚假GPS信号欺骗的情况下飞行时得到的估计加速度和真实加速度之间的沿无人机前进方向的的差值；

图4C为本发明方法中无人机GPS接收器被虚假GPS信号欺骗的情况下飞行时得到的估计加速度和真实加速度之间的沿无人机右侧方向的差值。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种无人机识别虚假GPS信号的方法，具有GPS导航系统，包括以下步骤：

系统接收GPS接收器、陀螺仪和加速度计采集的数据；

根据陀螺仪测量的角速度计算出坐标从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

根据GPS接收器的GPS数据，计算载体即无人机的基于地理坐标系的加速度；

利用上述转换矩阵，将上述基于地理坐标系的加速度转换成基于无人机机体坐标系的加速度；

将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度；

比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度，并根据比较结果判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗；

如果比较结果的差值大于规定域值，则无人机GPS设备被虚假GPS信号欺骗。

本发明方法综合利用GPS、加速度计和陀螺仪的信息来判断安装在无人机上的GPS接收器是否接收到虚假GPS信号，即判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗的方法，首先根据陀螺仪测量的角速度计算从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，再根据GPS数据处理得到的基于地理坐标系的加速度经过坐标转换矩阵转换得到基于机体坐标系的加速度，进而与无人机真实的加速度(由加速度计测量的比力——载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之和，经过简单运算可得到加速度)做比较，最后根据比较的结果从而进行对无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗的判断。

GPS接收器、陀螺仪以及加速度计这三种都是在任何一款无人机上必备的电子元器件。GPS接收器接收GPS信号从而计算基于地理坐标系的位置(经度、纬度和高度)，陀螺仪测量角速度，加速度计测量比力(载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之和)。陀螺仪和加速度计都是完全独立的测量物理量，不需要外界任何信息的参照，因此它们测量信息的过程是不会被攻击的而且得到的结果是准确的(但不是精确的，因为存在测量误差)。利用一个准确的角速度(陀螺仪测得)和未知真假的GPS信息，来估算基于机体坐标系下加速度，得到的结果如果和准确的加速度(加速度计测得)有比较大的差别，则可以判断无人机GPS设备是否被虚假GPS信号欺骗，否则没有。

步骤1.系统接收GPS接收器、陀螺仪和加速度计采集的数据，并进行初始化处理

假设θ为飞机的倾斜角(pitch)，为飞机的偏航角(yaw)，γ为飞机的横滚角(raw)。则初始时刻的从机体坐标系到地理坐标系的坐标转换矩阵为

其中假设θ＝γ＝0，可以根据两个连续的GPS坐标点估(x(1)，y(1))和(x(2)，y(2))计得到，即四元组的初始值根据以下公式计算：

其他，的符号为

步骤2.根据陀螺仪测量的角速度计算出坐标从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵(t)

利用陀螺仪测量的角速度ω(t)＝[ω_x(t)，ω_y(t)，ω_h(t)]，其中，·(t)代表t时刻的量下标x代表飞机前进方向，下标y代表飞机右侧方向，下标h代表高度方向，如图2所示，可以计算得到当前飞行姿态下的从机体坐标系到地理坐标系的坐标转换矩阵M(t)，M_ij(t)为转换矩阵的元素：

其中q_i(t)，i＝0，1，2，3为表示无人机飞行姿态变量：

其中为q_i(t)的变化率；

并且需要将q_i(t)归一化，

其中，a，b，c，d为计算过程中的中间变量。

归一化的设计既可以消除即时更新q_i(t)时造成误差的误差影响，又不引入明显的转换矩阵漂移误差。

步骤3.根据GPS接收器的GPS数据，计算无人机的基于地理坐标系的加速度

根据GPS的位置信息P(t)＝[P_x(t)，P_y(t)，P_h(t)]可以计算得到基于地理坐标系的加速度A(t)＝[A_x(t)，A_y(t)，A_h(t)](其中下标x代表纬度方向，下标y代表经度方向，下标h代表高度方向)，由于GPS接收器采样频率非常小，假设无人机在每个测量时间间隔内做匀加速直线运动。

其中，V(t)为速度，Δt为GPS采样时间间隔

步骤4.利用上述转换矩阵，将上述基于地理坐标系的加速度转换成基于无人机机体坐标系的加速度

将GPS计算得到的加速度A(t)转换成机体坐标系的加速度A^*(t)公式如下：A^*(t)＝M^-1(t)×A(t)

其中，A(t)为GPS计算得到的加速度，A^*(t)为无人机机体坐标系的加速度，M^-1(t)为地理坐标系的坐标转换矩阵。

步骤5.将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度

将加速度计测量的比力F(t)转换成为加速度A^acc(t)。

A^acc(t)＝F(t)-[0，0，g]^T

其中g为重力加速度。

步骤6.比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度

比较步骤4和步骤5中加速度，如果这两个加速度存在比较大的差别，则可以判断无人机GPS设备被虚假GPS信号欺骗，否则没有，步骤如下：

设第一～四临界值ε，μ，ρ，δ为大于0的常数，N为规定时间段(例如5s)内GPS采样点的总数，Δa_y为沿飞机右侧方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δa_y|＞ε，并且从该点开始到接下来第N个Δa_y值的平均值，如果大于μ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δa_y|＞ε，并且从该点开始到接下来第N个Δa_y值的平均值，如果不大于μ，则认无人机GPS接收器未被虚假GPS信号欺骗。

步骤6中还包括以下步骤：

设Δa_x为沿飞机前进方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δa_y|≤ε，但是|Δa_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δa_x值的方差，如果大于δ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δa_y|≤ε，但是|Δa_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δa_x值的方差，如果不大于δ，则认无人机GPS接收器没有被虚假GPS信号欺骗。

图3A～3C和图4A～4C为经过上述步骤，得到的两组Δa(Δa为根据GPS和陀螺仪计算的与实际测量的加速度之间的差值)的波形图。可以看到，正常情况下与GPS接收器被虚假GPS信号欺骗情况下，Δa存在较大的差异。

传统技术中最简单的判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗的方法，是直接判断同一时刻分别由GPS和INS所估计的位置点是否有比较大的差距，如果差距比较大，则可以认为无人机GPS接收器被虚假GPS信号欺骗。但是，由于INS(Inertial NavigationSystem，即惯性导航系统)在估计位置的过程中需要三次数学积分操作(陀螺仪计算飞机姿态信息1次，加速度估算位置信息2次，其中陀螺仪在每次迭代计算飞机姿态信息时，都对四元组进行归一化操作，使得一些误差得以消除)，这会导致随着时间的累积，INS所计算出来的位置的累积误差越来越大，即便在GPS接收器没有被虚假GPS信号欺骗的时候，也会得出错误的结论。本发明消除了加速度计算位置信息的2次积分，使得结果更加准确。

Claims (4)

1.一种无人机识别虚假GPS信号的方法，具有GPS导航系统，其特征在于包括以下步骤：

系统接收GPS接收器、陀螺仪和加速度计采集的数据，并进行初始化处理；

根据陀螺仪测量的角速度计算出坐标从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

根据GPS接收器的GPS数据，计算无人机的基于地理坐标系的加速度；

利用上述转换矩阵，将上述基于地理坐标系的加速度转换成基于无人机机体坐标系的加速度；

将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度；

比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度，并根据比较结果判断无人机GPS接收器是否被虚假GPS信号欺骗；

如果比较结果的差值大于规定域值，则无人机GPS设备被虚假GPS信号欺骗。

2.按权利要求1所述的无人机识别虚假GPS信号的方法，其特征在于：

将加速度计测量的比力去除重力加速度的影响，转变成无人机机体坐标系的加速度通过以下公式实现：

A^*(t)＝M^-1(t)×A(t)

其中，A(t)为GPS计算得到的加速度，A^*(t)为无人机机体坐标系的加速度，

M^-1(t)为地理坐标系的坐标转换矩阵。

3.按权利要求1所述的无人机识别虚假GPS信号的方法，其特征在于：比较基于计算得到的无人机机体坐标系的加速度和测量得到的无人机机体坐标系的加速度步骤如下：

设第一～四临界值ε，μ，ρ，δ为大于0的常数，N为规定时间段内GPS采样点的总数，Δα_y为沿飞机右侧方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δα_y|＞ε，并且从该点开始到接下来第N个Δα_y值的平均值，如果大于μ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δα_y|＞ε，并且从该点开始到接下来第N个Δα_y值的平均值，如果不大于μ，则认无人机GPS接收器未被虚假GPS信号欺骗。

4.按权利要求3所述的无人机识别虚假GPS信号的方法，其特征在于：还包括以下步骤：

设Δα_x为沿飞机前进方向估计加速度和真实加速度之间的差值；

如果|Δα_y|≤ε，但是|Δα_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δα_x值的方差，如果大于δ，则认无人机GPS接收器已经被虚假GPS信号欺骗；

如果|Δa_y|≤ε，但是|Δa_x|＞ρ，从该点开始到接下来第N个Δa_x值的方差，如果不大于δ，则认无人机GPS接收器没有被虚假GPS信号欺骗。