CN108241159B - 基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，包括步骤：利用仿生组合导航通过多源数据融合实时获取的载体导航信息，与卫星导航电文中的卫星星历相结合，计算获得用于抗干扰检测的辅助信息；在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，将欺骗式干扰信号检测、识别与剔除；在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，检测出是否存在欺骗式干扰中的再生式欺骗干扰；在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，将欺骗式干扰信号检测、识别与剔除。本发明获取的导航信息不受外界环境影响，利用基于仿生组合导航的辅助信息，高效的判断欺骗性干扰信号是否存在，进而实现对欺骗式干扰的检测及抑制，扩大了抗欺骗干扰算法的适用性、提高了系统可靠性。

Description

基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法

技术领域

本发明属于卫星应用的技术领域，涉及一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，可用于复杂干扰环境中卫星信号的正常捕获跟踪。

背景技术

由于外界复杂的电磁干扰环境，卫星导航系统本身很容易受到各种类型射频干扰的影响。尤其在电子军事对抗中，针对性的干扰方法对导航接收机影响更大。目前，欺骗式干扰逐渐成为卫星导航领域的主要威胁。欺骗式干扰是使接收机在看似正常工作的条件下，让虚假的卫星信号优先控制导航接收机的跟踪环，让接收机锁定错误的卫星信号继而解算出虚假的导航数据，从而计算出错误的位置信息。

目前抗欺骗式干扰的主要方法分为三类：一，在卫星导航本身，通过多天线阵列技术，形成有用信号的波束。这种类型的接收机能向着欺骗式干扰源进行零陷，抑制欺骗式干扰的不利影响。二，在卫星导航算法中增加残留信号检测、自主完好性监视等算法，在卫星信号处理时检测欺骗式干扰信号；三，通过外部辅助信息辅助卫星导航信号抗干扰检测，例如通过GNSS/INS组合导航系统中的INS解算结果信息在卫星信号捕获阶段进行抗干扰检测。

发明内容

发明所要解决的课题是，克服传统的卫星导航抗欺骗式干扰需要的多个天线阵元、复杂算法、在卫星信号处理的单一层次进行辅助可靠性差的缺点，完成欺骗式干扰的检测。

用于解决课题的技术手段是：本发明提出一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，包括如下步骤：

利用仿生组合导航通过多源数据融合方法实时获取的载体导航信息，并与导航电文中的卫星星历数据相结合，计算获得用于抗干扰检测的辅助信息；

根据所述仿生组合导航提供的辅助信息，在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，将检测所得欺骗式干扰信号剔除；

根据所述GNSS基带信号处理部分剔除后的辅助信息，在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，检测出是否存在欺骗式干扰中的再生式欺骗干扰；

根据所述GNSS信息处理部分处理后的辅助信息，在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，将检测的欺骗式干扰信号剔除。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述利用仿生组合导航实时获取的载体导航信息包括辅助时间信息、辅助位置信息、辅助速度信息、辅助姿态信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助信息包括卫星的伪距信息、信号的码相位值、辅助码速率信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述卫星的伪距信息由仿生组合导航提供辅助信息中载体位置信息和导航电文中的卫星星历中位置信息计算得到。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号的码相位值采用以下步骤获得：

由伪距信息和光速得到信号传播时间，及根据GNSS基带信号处理部分中记录的信号接收时间处理得到信号发射时间；并根据信号发射时间处理得到信号的码相位值。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助码速率信息采用以下步骤获得：

由仿生组合导航提供辅助信息中载体位置和速度信息，和导航电文中的卫星星历中位置和速度信息，通过多普勒计算公式计算获得载体的辅助多普勒信息；并通过信号载波速率与码速率的比值得到辅助码速率信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，包括：多峰值抗干扰检测、功率抗干扰检测、多普勒频率和码速率一致性检测、发射时间检测、环路信号痕迹检测。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，包括：

根据导航电文解调出卫星信号调制时间，与通过辅助信息计算的信号调制时间进行对比，若时间相同则信号为真实信号，若时间不同则为再生式干扰信号延迟发射的干扰信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，包括：自主完好性检测或位置痕迹与合理性检测、组合导航序贯滤波检测、时间痕迹与合理性检测、系统间一致性检测、时钟一致性检测。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述位置痕迹与合理性检测，具体包括：

通过GNSS完成定位，及根据定位解算出的载体实际信息与上一时刻缓存的载体实际位置进行计算获得误差；

根据误差与预先设定的阈值比较，根据比较结果判断出实际解算与辅助计算的信息是否产生变化。

发明效果为，本发明所提供的一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，仿生导航不受外界电磁环境的干扰能够提供精确的姿态、速度信息，与惯性导航结合更能提供精确的位置、速度、姿态等导航信息，这些导航信息与卫星本身的星历等信息结合，可以提供精确的辅助信息，这些辅助信息在卫星信号的基带信号处理、信息处理和定位解算三个处理过程中，通过与卫星本身产生的信息进行对比，利用基于仿生组合导航的辅助信息，在接收机的基带信号处理部分、信息处理部分和定位解算部分对GNSS卫星信号进行处理时，建立合理的假设检验的数学模型，采用合适的假设检验方法，高效的判断欺骗性干扰信号是否存在，进而实现对欺骗式干扰的检测及抑制，完成欺骗式干扰的检测、识别和剔除，克服传统的卫星导航抗欺骗式干扰需要的多个天线阵元、复杂算法、在卫星信号处理的单一层次进行辅助可靠性差的缺点，扩大了抗欺骗干扰算法的适用性、提高了系统可靠性，更适用于复杂的欺骗式干扰环境。

因此，本发明的抗欺骗式干扰方法，具备的特点有：

(1)本发明通过仿生、惯性等不受周围电磁环境影响的自主导航方式，融合多种导航数据，提供精度高，可靠性强的辅助信息。

(2)本发明通过在卫星信号处理的过程中，在基带信号处理、信息处理和定位解算三个处理过程进行多方位的欺骗式干扰信号检测、识别和剔除，扩大了抗欺骗干扰算法的适用性、提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法的原理示意图。

图2为本发明中组合导航信息提取模块的工作原理图。

图3为本发明中辅助基带处理模块的原理示意图。

图4为本发明中辅助信号处理模块的原理示意图。

图5为本发明中辅助定位解算模块的原理示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明提出一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，该方法所基于的系统可以包括组合导航信息提取模块、辅助基带处理模块、辅助信号处理模块、辅助定位解算模块。利用导航信息提取模块提取仿生组合导航提供的导航信息，辅助GNSS导航进行抗欺骗式干扰。具体地，本发明的方法包括如下步骤：

步骤1、首先，利用导航信息提取模块提取仿生组合导航提供的导航信息。其原理如图2所示，利用仿生组合导航实时获取的载体导航信息，并与导航电文中的卫星星历等数据相结合，计算获得用于抗干扰检测的辅助信息。

利用偏振光导航、光流导航、惯性导航、地磁导航等多种导航方式组成的仿生组合导航得到各种不同类型的导航信息，之后将这些信息进行多源数据融合，得到精确的时间、位置、速度、姿态信息等。导航信息提取模块利用仿生组合导航提供的辅助信息与卫星基带部分得到的相关信息共同计算出抗干扰检测所需的信息，具体过程如下：

(1)由仿生组合导航得到载体的信息作为辅助信息，即辅助时间信息、辅助位置信息、辅助速度信息、辅助姿态信息；

(2)由于卫星星历在以参考时间为中心的4小时以内有效，所以可以使用上一时刻的卫星星历数据进行当前时刻的计算；由于同一个GNSS模块的时钟钟漂在短时间内变化较小，可以看做常值，以此提取上一时刻的GNSS模块的时钟钟漂数据作为钟漂数据。

(3)以卫星星历中卫星的位置信息和仿生组合导航提供的载体位置信息可以计算出卫星的伪距信息。

(4)利用所述伪距信息和光速，就可以计算处理得到信号传播时间，根据接收机中记录的信号接收时间，就可以计算处理得到信号发射时间。根据信号发射时间，就可以计算处理得到信号的码相位值。

(5)利用载体的位置、速度信息，和卫星星历中卫星的位置、速度信息，通过多普勒计算公式计算载体的辅助多普勒信息，根据信号原始载波速率和码速率，计算得到载波速率与码速率的比值，由于载波速率与码速率的比值恒定，不随多普勒变化而变化，所以可以通过相应信号载波速率与码速率的比值以及辅助多普勒信息得到辅助码速率信息，并通过缓存得到多普勒和码速率信息的曲线图，得到其变化趋势。

步骤2、利用辅助基带处理模块根据所述仿生组合导航提供的辅助信息，在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，以获得欺骗式干扰信号检测结果，将欺骗式干扰信号检测、识别与剔除。其原理如图3所示。

优选地，所述方法在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，可以包括：多峰值抗干扰检测、功率抗干扰检测、多普勒频率和码速率一致性检测、发射时间检测、环路信号痕迹检测。其具体检测过程如下：

(1)利用导航信息提取模块计算的码相位信息设置真实信号码相位的范围，当做码相关运算时，若存在欺骗式干扰信号，相关运算时存在多个相关峰值，则只允许在利用辅助码设置的范围内的相关峰被捕获。即这个相关峰为真实信号，其它相关峰为欺骗信号。完成多峰值抗干扰检测。

(2)欺骗式干扰功率一般会大于接收机接收到的真实信号的功率。功率越高，与真实信号对齐的欺骗式干扰在捕获跟踪环节诱偏接收机的可能性就更高。但由于卫星发射功率和大气传播路径损耗等因素的限制，接收机接收到GPS信号的功率有一个合理的范围。通过实际信号大致功率范围设置阈值，若在阈值范围内为真实信号功率。完成功率抗干扰检测。

(3)通过对跟踪环路中本地载波与原始信号下变频得到的中频信号的鉴频与鉴相，得到多普勒频移测量值，通过相应信号的载波速率与码速率的比值得到码速率，与上一时刻缓存的多普勒频移和码速率进行作差，将差值缓存，得到多普勒频移和码速率的变化率；通过辅助信息计算得到的多普勒频移测量值与码速率进行同样处理，若实际信号的缓存差值与辅助信息的缓存差值符号相同，且两个差值的误差在设定的误差范围内，则表示多普勒频移和码速率的变化趋势正确，信号为真实信号。以此完成多普勒频率、码速率一致性检测。

(4)基带信号处理部分在帧同步后通过导航电文的内容构筑出信号发射时间，与辅助信息计算的信号发射时间进行对比，若时间相同，则为真实信号；若时间不同，则为干扰信号。完成发射时间检测。

(5)在程序中记录码环、载波环工作状态，如果在辅助信息计算的码速率、多普勒频移没有较大变化的情况下，环路多次进行跳变，说明该环路可能存在干扰信号，完成环路信号痕迹检测。

步骤3、利用辅助信息处理模块根据所述步骤2经GNSS基带信号处理部分剔除后的辅助信息，在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，检测出是否存在欺骗式干扰中的再生式欺骗。

其原理如图4所示，通过导航电文解调出卫星信号调制时的时间，与通过辅助信息计算的信号调制时间进行对比，若时间相同则信号为真实信号，若时间不同则为再生式干扰信号延迟发射的干扰信号。

步骤4、利用辅助定位解算模块根据所述步骤3GNSS信息处理部分处理后的仿生组合导航的辅助信息，在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，以获得欺骗式干扰信号检测结果，将欺骗式干扰信号检测、识别与剔除，其原理如图5所示。

优选地，所述方法在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，包括：自主完好性检测、位置痕迹与合理性检测、组合导航序贯滤波检测、时间痕迹与合理性检测、系统间一致性检测、时钟一致性检测。

所述再次进行欺骗检测，具体过程如下：

(1)在解调出导航电文后，根据导航电文的长度、更新时间、各个参数的合理性，检测接收到的卫星信号的组成，完成自主完好性检测。

(2)通过GNSS模块完成定位后，根据定位解算出的载体位置，与上一时刻缓存的载体位置进行作差，得到单位时间的位置变化率，并进行缓存；然后将位置变化率与前一历元缓存的位置变化率进行对比，检测其符号是否相同，数值是否变化过大，致使位置变化不连续；通过辅助信息进行同样处理，分别比较解算实际位置与辅助位置、解算位置变化率与辅助位置变化率符号与大小，并计算其误差是否小于预先设定的阈值，若实际解算与辅助计算的信息变化相同，且数值误差小于预先设定的阈值，则表示位置数据是合理的，完成位置痕迹与合理性检测。

(3)在进行组合滤波序贯处理时，利用一个长度为N的窗口函数计算系统协方差阵的统计值期望和方差，通过期望和方差的大小检测系统协方差阵是否出现较大非连续性变化，判断是否存在干扰信号，完成组合导航序贯滤波检测。

(4)在进行定位解算时，解算出定位的时间后，首先与上一历元的时间进行对比，检测其时间间隔是否正确；之后与辅助信息计算的定位时间进行对比，检测时间是否准确，完成时间痕迹与合理性检测。

(5)在进行定位解算时，分别计算出每个通道北斗、GPS系统中卫星信号的伪距、载波相位，通过与前一时刻进行作差得到伪距、载波相位的变化率，通过比较相同系统不同通道间的伪距、载波相位变化率的符号、数值变化大小，确定相同系统不同通道间伪距、载波相位变化的一致性，同样可以对不同系统间的伪距、载波相位变化进行异常判断，检测干扰信号，完成系统间一致性检测。

(6)在进行定位解算时，分别计算出每个卫星信号接收通道中北斗、GPS系统中卫星信号包含的系统时间，首先进行系统间的时间对比，之后根据北斗、GPS系统不同系统之间的时间误差进行转换，进行不同系统间的时间对比，检测出干扰信号，完成时钟一致性检测。

最终，通过进行各类欺骗检测方法，检测与排除欺骗式干扰信号造成的干扰，实现系统的准确定位。

综上，本发明提供一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，基于偏振光导航/光流导航/地磁导航/惯性导航的仿生组合导航系统为自主导航系统，获取的导航信息不受外界环境影响，可以获得实时可靠的载体位置、速度、姿态信息，而利用该信息可以对卫星欺骗式干扰进行检测和识别。利用基于仿生组合导航的辅助信息，在接收机的基带信号处理部分、信息处理部分和定位解算部分对GNSS卫星信号进行处理时，建立合理的假设检验的数学检测方法，高效的判断欺骗性干扰信号是否存在，进而实现对欺骗式干扰的检测及抑制。扩大了抗欺骗干扰算法的适用性、提高了系统可靠性。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用仿生组合导航通过多源数据融合方法实时获取的载体导航信息，并与导航电文中的卫星星历数据相结合，计算获得用于抗干扰检测的辅助信息；

根据所述仿生组合导航提供的辅助信息，在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，将检测所得欺骗式干扰信号剔除；

在所述GNSS基带信号处理部分剔除欺骗式干扰信号后，根据辅助信息，在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，检测出是否存在欺骗式干扰中的再生式欺骗干扰；

在所述GNSS信息处理部分处理后，根据所述辅助信息，在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，将检测的欺骗式干扰信号剔除。

2.根据权利要求1所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述利用仿生组合导航实时获取的载体导航信息包括辅助时间信息、辅助位置信息、辅助速度信息、辅助姿态信息。

3.根据权利要求1所述基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，所述辅助信息包括卫星的伪距信息、信号的码相位值、辅助码速率信息。

4.根据权利要求3所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述卫星的伪距信息由仿生组合导航提供载体导航信息中载体位置信息和导航电文中的卫星星历中位置信息计算得到。

5.根据权利要求3所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述信号的码相位值采用以下步骤获得：

由伪距信息和光速得到信号传播时间，及根据GNSS基带信号处理部分中记录的信号接收时间处理得到信号发射时间；并根据信号发射时间处理得到信号的码相位值。

6.根据权利要求3所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述辅助码速率信息采用以下步骤获得：

由仿生组合导航提供载体导航信息中载体位置和速度信息，和导航电文中的卫星星历中卫星位置和速度信息，通过多普勒计算公式计算获得载体的辅助多普勒信息；并根据信号原始载波速率和码速率，计算得到载波速率与码速率的比值，通过信号载波速率与码速率的比值以及辅助多普勒信息得到辅助码速率信息。

7.根据权利要求1所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述方法在GNSS基带信号处理部分进行欺骗式干扰检测处理，包括：多峰值抗干扰检测、功率抗干扰检测、多普勒频率和码速率一致性检测、发射时间检测、环路信号痕迹检测。

8.根据权利要求1所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述方法在GNSS信息处理部分中进行电文延时检测，包括：

根据导航电文解调出卫星信号调制时间，与通过辅助信息计算的信号调制时间进行对比，若时间相同则信号为真实信号，若时间不同则为欺骗式干扰中的再生式欺骗干扰信号延迟发射的干扰信号。

9.根据权利要求1所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述方法在GNSS定位解算部分再次进行欺骗检测，包括：自主完好性检测或位置痕迹与合理性检测、组合导航序贯滤波检测、时间痕迹与合理性检测、系统间一致性检测、时钟一致性检测。

10.根据权利要求9所述的基于仿生组合导航辅助的抗欺骗式干扰方法，其特征在于，所述位置痕迹与合理性检测，具体包括：

通过GNSS完成定位，及根据定位解算出的载体位置信息与上一时刻缓存的载体位置信息进行计算获得误差；

根据误差与预先设定的阈值比较，根据比较结果判断出通过GNSS完成定位的实际解算与通过辅助信息进行的辅助计算的信息是否产生变化。

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