CN108535745B - 一种gnss阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航信号的欺骗干扰的检测方法。主要包括以下步骤：(S1)信号功率估计，得到阵元接收信号的功率估计结果；(S2)估计不存在欺骗干扰时功率估计结果实部与虚部的概率分布；(S3)给定虚警概率，计算检测门限；(S4)将信号功率估计结果与检测门限进行比较，实现欺骗干扰的检测。本发明检测性能良好且实现简单，不需要捕获和跟踪接收到的卫星信号，运算量小且实施方便，可直接用于GNSS阵列接收机基带采样信号的欺骗干扰检测。

Description

一种GNSS阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航信号的欺骗干扰的检测方法。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)欺骗干扰隐蔽性强，对GNSS的应用造成了严重的安全威胁。而欺骗干扰信号与真实信号具有相同的信号结构，且功率较小，通常需要在信号解扩后得到信号的相应特征，如信号功率，载波多普勒，载波相位等才能进行检测。而信号解扩就需要捕获和跟踪接收到的所有信号，包括真实信号和欺骗信号，这就需要改变接收机捕获跟踪策略，增加信号跟踪通道数，运算量和硬件复杂度较高。
信号解扩后的欺骗干扰检测方法主要包括：信号功率检测、到达时间检测、到达角度检测、电文校验、定位结果检测等。对于阵列接收机，主要利用信号到达角一致性进行欺骗干扰检测，根据信号相位差实现欺骗干扰检测和判决，主要包括相位单差检测和相位双差检测。其一，通过比较信号到达两个天线的相位差与根据星历计算得到的估计值，进行欺骗干扰判别；其二，基于欺骗信号通常从同一天线发射的特点，不同卫星欺骗信号到达两个天线的相位差相同，故可通过不同卫星信号到达两固定天线的相位差的差值进行欺骗干扰的判别。但要得到信号相位及其差值，需要各个通道分别捕获和跟踪各颗卫星信号，运算量大，耗费资源多。因此，研究在保证干扰检测性能的条件下，检测系统复杂度低，检测计算量小的欺骗干扰检测方法对GNSS阵列接收机的优化设计及欺骗干扰检测性能提升都具有重要意义。
发明内容
本发明为了有效解决GNSS阵列接收机欺骗干扰检测问题，提供了一种信号解扩前的欺骗干扰检测方法。基本思路是：对于阵元间距为半波长的GNSS阵列接收机，导航信号在天线阵元间时延差很小，具有较强的相关性，而不同通道内噪声不相关。因此，利用不同通道的信号与噪声相关性的差异，消除噪声的影响，进行导航信号的功率估计，进而通过功率大小实现欺骗干扰的检测。具体技术方案如下：
一种GNSS阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法，包括以下步骤：
(S1)信号功率估计，
以N元天线阵接收机为例，N为整数，接收阵列信号基带采样结果表示为r(nTs)，r(nTs)＝[r1(nTs),r2(nTs),...,rN(nTs)]T，ri(nTs)表示第i个阵元接收信号在nTs时刻的采样结果，n表示采样点，Ts为采样间隔；
以第1个阵元对应通道为参考通道，将天线阵第i个阵元，i＝2,3,...,N，基带采样信号ri(nTs)与参考通道基带采样信号r1(nTs)的共轭值r1 *(nTs)进行相乘，并累加，得到第i个阵元接收信号的功率估计结果
Figure BDA0001609808780000021
Figure BDA0001609808780000022
K为累加点数，“*”表示共轭运算符，进一步将
Figure BDA0001609808780000023
表示为实部和虚部的和：
Figure BDA0001609808780000024
其中
Figure BDA0001609808780000025
和
Figure BDA0001609808780000026
分别为
Figure BDA0001609808780000027
的实部和虚部，j表示虚数单位；
(S2)估计不存在欺骗干扰时
Figure BDA0001609808780000028
和
Figure BDA0001609808780000029
的概率分布；
根据卫星分布特性对相位差、可见卫星数和信号功率进行取值，生成仿真数据，按照步骤S1描述方法进行蒙特卡洛仿真，得到不同相位差、可见卫星数和信号功率条件下的
Figure BDA00016098087800000210
和
Figure BDA00016098087800000211
值，此处
Figure BDA00016098087800000212
和
Figure BDA00016098087800000213
与步骤S1中含义相同，统计得到不存在欺骗干扰条件下
Figure BDA00016098087800000214
和
Figure BDA00016098087800000215
的概率分布曲线
Figure BDA00016098087800000216
和
Figure BDA00016098087800000217
曲线横坐标为功率，纵坐标为估计结果等于该功率值的概率；
(S3)给定虚警概率，根据所述步骤(S2)中概率分布曲线
Figure BDA0001609808780000031
和
Figure BDA0001609808780000032
计算检测门限Th；
设置二元假设为，
H0：
Figure BDA0001609808780000033
且
Figure BDA0001609808780000034
不存在欺骗干扰
H1：
Figure BDA0001609808780000035
或
Figure BDA0001609808780000036
存在欺骗干扰
虚警概率Pfa定义为不存在欺骗干扰条件下
Figure BDA0001609808780000037
或
Figure BDA0001609808780000038
大于门限Th的概率，在给定虚警概率Pfa的情况下，根据概率分布曲线
Figure BDA0001609808780000039
和
Figure BDA00016098087800000310
直接读出对应的检测门限Th。
(S4)根据步骤(S1)得到的信号功率估计结果
Figure BDA00016098087800000311
与检测门限Th进行比较，实现欺骗干扰的检测。
采用本发明获得的有益效果是：直接利用不同天线信号和噪声相关性差异，在解扩前估计信号功率，避免高计算量的捕获和跟踪处理，再根据普遍的真实信号可见性，功率分布情况，及检测虚警概率，计算干扰判决门限，进而实现欺骗干扰的检测。本发明检测性能良好且实现简单，不需要捕获和跟踪接收到的卫星信号，运算量小且实施方便，可直接用于GNSS阵列接收机基带采样信号的欺骗干扰检测。
附图说明
图1为本发明所提供的GNSS阵列接收机欺骗干扰检测方法的流程图；
图2为仿真实验中计算的功率估计实部
Figure BDA00016098087800000312
的概率分布示意图；
图3为仿真实验中计算的功率估计虚部
Figure BDA00016098087800000313
的概率分布示意图；
图4为本发明所提供的GNSS阵列接收机欺骗干扰检测方法欺骗干扰检测的ROC曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明所提供的GNSS阵列接收机欺骗干扰检测方法的流程图。
第一步是阵列信号功率估计，通过对阵列基带采样信号r(nTs)不同阵元信号与参考阵元信号共轭相乘累加得到。
第二步是估计不存在欺骗干扰时
Figure BDA0001609808780000041
和
Figure BDA0001609808780000042
的概率分布；
因为存在欺骗干扰和不存在欺骗干扰的情况下，
Figure BDA0001609808780000043
和
Figure BDA0001609808780000044
具有不同的概率分布，以此可以进行欺骗干扰的检测。通常接收机在信号解扩前难以获得卫星分布情况和信号功率，且自身位置和方位未知，故通过一般情况下的卫星分布特性和信号的功率分布规律估计无欺骗干扰条件下的功率估计结果
Figure BDA0001609808780000045
和
Figure BDA0001609808780000046
的分布情况。可以认为，随机放置的天线阵，信号在两个天线之间的相位差服从-π～π的均匀分布U(-π,π)。以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为例，通常可见卫星数为4～11颗，卫星导航信号到达地面附近的功率基本一致，对应载噪比(Carrier to Noise Ratio，CNR)变化范围为40～50dBHz，认为信号功率在变化范围内均匀分布，可见卫星数也服从4～11的均匀分布。根据上述空间分布特性对相位差、可见卫星数和信号功率大小进行取值，生成仿真数据r(nTs)，按第一步描述方法进行蒙特卡洛仿真，统计得到不存在欺骗干扰条件下
Figure BDA0001609808780000047
概率分布曲线
Figure BDA0001609808780000048
和
Figure BDA0001609808780000049
的概率分布曲线
Figure BDA00016098087800000410
曲线横坐标为功率，纵坐标为估计结果等于该功率值的概率。
第三步，根据给定虚警概率Pfa计算检测门限Th。
设置二元假设为：
H0：
Figure BDA00016098087800000411
且
Figure BDA00016098087800000412
不存在欺骗干扰
H1：
Figure BDA00016098087800000413
或
Figure BDA00016098087800000414
存在欺骗干扰
虚警概率Pfa定义为不存在欺骗干扰条件下
Figure BDA00016098087800000415
或
Figure BDA00016098087800000416
大于门限Th的概率。在给定虚警概率Pfa的情况下，根据概率分布曲线
Figure BDA00016098087800000417
和
Figure BDA00016098087800000418
直接读出对应的检测门限Th。
第四步为欺骗干扰检测，根据信号功率估计结果
Figure BDA00016098087800000419
与检测门限Th进行比较，判决是否存在欺骗干扰。
图2至图3是仿真实验中计算的有无欺骗干扰条件下
Figure BDA0001609808780000051
实部
Figure BDA0001609808780000052
和虚部
Figure BDA0001609808780000053
的概率分布曲线。实施例仿真中认为真实信号个数与欺骗信号个数相同，在4～11内均匀分布，真实信号和欺骗信号在两个天线之间的相位差服从均匀分布U(-π,π)，真实信号CNR服从40～50dBHz内的均匀分布，欺骗干扰信号功率比真实信号功率高3dB，图中为按第二步所述，进行106次数值计算的统计结果，并对信号最小功率进行了归一化。
图2中实线为有欺骗干扰条件下实部
Figure BDA0001609808780000054
的概率分布曲线，虚线为无欺骗干扰条件下实部
Figure BDA0001609808780000055
的概率分布曲线，横坐标为有、无欺骗干扰条件下实部
Figure BDA0001609808780000056
的取值范围，纵坐标为对应的概率。
图3中实线为有欺骗干扰条件下实部
Figure BDA0001609808780000057
的概率分布曲线，虚线为无欺骗干扰条件下实部
Figure BDA0001609808780000058
的概率分布曲线。横坐标为有、无欺骗干扰条件下虚部
Figure BDA0001609808780000059
的取值范围，纵坐标为对应的概率。
图4为欺骗干扰检测的受试者工作特征(Receiver Operating Characteristic，ROC)曲线，用于衡量算法的干扰检测性能。横坐标为检测的虚警概率，纵坐标为对应的检测概率。从ROC曲线可以看出，3％的虚警概率即可实现约95％的检测概率，说明本发明提供的GNSS欺骗干扰检测方法性能优良。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的方法，应当指出，对于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，还可以对本发明进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种GNSS阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(S1)信号功率估计，
以N元天线阵接收机为例，接收阵列信号基带采样结果表示为r(nTs)，r(nTs)＝[r1(nTs),r2(nTs),...,rN(nTs)]T，ri(nTs)表示第i个阵元接收信号在nTs时刻的采样结果，n表示采样点，Ts为采样间隔；
以第1个阵元对应通道为参考通道，将天线阵第i个阵元，i＝2,3,...,N，基带采样信号ri(nTs)与参考通道基带采样信号r1(nTs)的共轭值r1 *(nTs)进行相乘，并累加，得到第i个阵元接收信号的功率估计结果
Figure FDA0002406795810000011
Figure FDA0002406795810000012
K为累加点数，进一步将
Figure FDA0002406795810000013
表示为实部和虚部的和：
Figure FDA0002406795810000014
其中
Figure FDA0002406795810000015
和
Figure FDA0002406795810000016
分别为
Figure FDA0002406795810000017
的实部和虚部，j表示虚数单位；
(S2)估计不存在欺骗干扰时
Figure FDA0002406795810000018
和
Figure FDA0002406795810000019
的概率分布；
(S3)给定虚警概率，根据所述步骤(S2)中的概率分布，计算检测门限Th；
(S4)根据步骤(S1)得到的信号功率估计结果
Figure FDA00024067958100000110
与检测门限Th进行比较，实现欺骗干扰的检测。
2.如权利要求1所述的一种GNSS阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤(S2)的具体过程为：根据卫星分布特性对相位差、可见卫星数和信号功率进行取值，生成仿真数据，仿真中的真实信号和欺骗信号在两个天线之间的相位差服从均匀分布U(-π,π)，按步骤(S1)的方法进行蒙特卡洛仿真，统计得到不存在欺骗干扰条件下
Figure FDA0002406795810000021
和
Figure FDA0002406795810000022
的概率分布曲线
Figure FDA0002406795810000023
和
Figure FDA0002406795810000024
曲线横坐标为功率，纵坐标为估计结果等于该功率值的概率。
3.如权利要求1所述的一种GNSS阵列接收机信号解扩前的欺骗干扰检测方法，其特征在于，所述步骤(S3)的具体过程为：
设置二元假设为，
H0：
Figure FDA0002406795810000025
且
Figure FDA0002406795810000026
不存在欺骗干扰
H1：
Figure FDA0002406795810000027
或
Figure FDA0002406795810000028
存在欺骗干扰
虚警概率Pfa定义为不存在欺骗干扰条件下
Figure FDA0002406795810000029
或
Figure FDA00024067958100000210
大于门限Th的概率，在给定虚警概率Pfa的情况下，根据概率分布曲线
Figure FDA00024067958100000211
和
Figure FDA00024067958100000212
直接读出对应的检测门限Th。
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