CN109085613A - 基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法及装置，该方法基于获取到的各卫星的判决前的数据码序列建立星座图，通过星座图提取卫星空间分布特征识别欺骗卫星干扰，包括：以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图；根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统计每个区域的点数得到星座点的密集程度；将标记为密集的区域进行聚类，根据不同时间段聚类中心之间的欧式距离判断是否存在欺骗卫星信号。本发明方法可以单独使用也可以配合现有的卫星欺骗目标识别方法共同使用提高识别率。

Description

基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法及装置，属于卫星通信和信息安 全领域。

背景技术

全球卫星导航系统能在全球范围的地面及近地空间为用户提供全天时、全天候的坐标和 速度及时间信息服务。在卫星导航系统为人类生产及生活发挥重要作用的同时，其安全性也 越来越受到多方关注。针对卫星导航系统的干扰严重威胁着与卫星导航相关的各行各业，在 众多威胁干扰方法中，欺骗式干扰隐蔽性强，危害性大，相比于压制式等其他干扰，尤其受 到攻击者的青睐。

目前，针对卫星导航系统的干扰主要分为压制干扰与欺骗干扰两类。压制干扰以远大于 正常信号功率的干扰信号破坏接收机的接收性能以降低其授时及定位精度；欺骗干扰信号和 正常信号的特征是完全一致的，其通过发送伪造的卫星数据，扰乱卫星接收终端的正常接收， 而得到错误的时间及位置等信息，达到欺骗目的。这两种干扰的区别是，压制干扰是一种简 单易用的方式，但干扰过程需要消耗大量的功率，并且容易被检测到；而欺骗干扰和压制干 扰的机理完全不同，低功率保证了其隐蔽性及较强的伪装生存能力。因此，在实际的运行环 境中，由于接收器不知道欺骗威胁的存在，欺骗干扰带来的危害比压制干扰更为严重。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于星座轨迹的卫星欺骗 干扰识别方法及装置，基于获取到的各卫星的判决前的数据码序列建立星座图，通过星座图 提取空间射频指纹特征识别欺骗卫星干扰，能够有效提高欺骗干扰的识别率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，包括以下步骤：

(1)以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图；

(2)根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统计每个区域的 点数得到星座点的密集程度；

(3)将标记为密集的区域进行聚类，根据不同时间段聚类中心之间的欧式距离判断是否 存在欺骗卫星信号，若两个时间段聚类中心的距离大于设定的门限则认为存在欺骗卫星信号。

作为优选，所述数据码序列是将采集到的卫星发射信号变频到基带后再进行相关及积分 运算后得到的判决前的数据码序列。

作为优选，所述步骤(1)中以一颗卫星信号相关积分运算后输出信号的载噪比作为星座 图的x轴坐标，以其他卫星信号相关积分运算后输出信号的载噪比作为星座图的y轴坐标建 立星座图，其中卫星信号经过相关及积分运算后输出的信号表示为： s_o(Δτ)＝P_s·D(t₀)·cos(Δφ)·R(Δτ)+N_o；其中，Ts是积分时间，C(t)是C/A码，Δτ＝τ-τ'，τ为信号传输时延，τ'为伪码时延，P_s为信号发射功率，Δφ为相位偏差，D(t₀)是数据码，在积分时间之内为常数，N_o为噪声功率谱密度。

作为优选，所述步骤(2)中将星座图划分为N×N的区域，生成一个N×N的矩阵，当每 个区域的星座点数大于设定的门限，则将矩阵的对应元素设置为1，标记为密集区域，其中N 为星座图的坐标轴范围。

作为优选，所述步骤(3)中采用K均值聚类算法对矩阵中为1的点进行聚类。

作为优选，所述步骤(3)中通过分析两个时间段各聚类中心之间的欧式距离之和的大小判断是否存在欺骗卫星信号；其中，P为聚类中心个数，表示时间段i第p个聚类中心到时间段j第p个聚类中心的欧式距离。

作为优选，在所述步骤(1)建立星座图之后，还包括，判断若存在某一卫星信号的星座 点偏离正常卫星信号范围，则认为存在欺骗卫星信号。

一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别装置，包括：

卫星信号处理单元，用于对获取到的各卫星信号进行处理，得到判决前的数据码序列；

星座图建立单元，用于以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据 分别建立星座图；

区域星座点统计单元，用于根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的 区域，统计每个区域的点数得到星座点的密集程度；

以及识别单元，用于将标记为密集的区域进行聚类，根据不同时间段聚类中心之间的欧 式距离判断是否存在欺骗卫星信号，若两个时间段聚类中心的距离大于设定的门限则认为存 在欺骗卫星信号。

一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并 可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于星座轨 迹的卫星欺骗干扰识别方法。

有益效果：本发明提供的一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，通过以任一颗卫 星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图，并通过星座图提取空 间射频指纹特征识别欺骗卫星干扰。进一步通过K均值聚类算法对星座图进行处理提高对欺 骗卫星信号的识别率。本发明方法可以单独使用也可以配合现有的卫星欺骗目标识别方法共 同使用提高识别率。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例中以正常卫星信号建立的星座图示意图。

图3为本发明实施例中引入欺骗干扰信号后建立的星座图示意图。

图4为本发明实施例中以正常卫星信号建立的聚类图。

图5为本发明实施例中引入欺骗干扰信号后建立的聚类图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例公开的一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，该方法 基于获取到的各卫星的判决前的数据码序列建立星座图，通过星座图提取空间射频指纹特征 识别欺骗卫星干扰，首先以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分 别建立星座图；然后根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统计 每个区域的点数得到星座点的密集程度；最后将密集区域进行聚类，根据不同时间段聚类中 心之间的欧式距离判断是否存在欺骗卫星信号。其中，判决前的数据码序列是将采集卫星发 射信号进行滤波、放大、变频等处理得到基带信号，再分别对每个卫星信号进行频偏和相偏 估计并通过相关运算得到判决前的数据码序列。具体包括如下步骤：

步骤1.设卫星发射机发出的信号s(t)＝P_s·C(t-τ)·D(t-τ)·cos(ω₁t+φ₁)+n(t)，其中P_s为信号发 射功率，C(t)是C/A码，D(t)是数据码，τ为信号传输时延，φ₁是卫星信号初始相位，ω₁是卫 星信号载波频率，n(t)是白噪声，其功率谱密度值是常量。接收端产生的本地载波 l(t)＝cos(ω₂t+φ₂)，其中ω₂是接收端本地载波频率，φ₂是接收信号相位；

步骤2.得到基带信号：实际工作的卫星接收机内部为了保证接收的增益，直接从卫星接 收下来的信号需要经过几次变频。为了简化分析，采用ω₂作为一次下变频的方案。将接收卫 星信号和本地载波相乘及低通滤波得到输出信号s_l(t)＝P_s·C(t-τ)·D(t-τ)·cos((ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂))+n′(t)，其中n′(t)为噪声部分仍然是白噪声，带宽变 为低通滤波器的带宽，频率偏差Δω＝ω₁-ω₂，相位偏差Δφ＝φ₁-φ₂。

步骤3.进行相关运算：假设本地伪码发生器产生的伪码为C(t-τ′)，其中τ'为伪码时延， 先不考虑噪声部分，则信号伪码和本地伪码经过相关及积分运算后得到其中Ts是积分时间，Ts一般需要满足两个 条件，一是由于D(t)的比特率是50b/s，则D(t)在20ms以内都保持不变，一般选取Ts<20ms； 二是为了得到有效的相关结果，Ts一般取C/A码周期1ms的整数倍。取Ts为20ms以内的 整数ms，则在积分时间之内可以认为D(t)是常数，可以移到积分号外面。

步骤4.得到判决前的数据码序列：当卫星信号成功捕获后，频率差Δω已经很小，随着 接收机稳定跟踪信号，该频率差已经接近0，因此可以认为在信号处理过程中的Δω＝0。取 Δτ＝τ-τ'，则取得到 s_o(Δτ)＝P_s·D(t₀)·cos(Δφ)·R(Δτ)。

步骤5.考虑噪声部分的处理：由于噪声的随机性以及C/A码的 移位周期性，则N_o(τ')＝N_o，为噪声功率谱密度。最终输出的信号 s_o(Δτ)＝P_s·D(t₀)·cos(Δφ)·R(Δτ)+N_o。

步骤6.建立星座图：假设同时收到m颗卫星信号s_i(i＝1,...,m)，以任一卫星，如s₁的相关 积分结果作为星座图的I路数据，分别以其他m-1颗卫星信号s_i(i＝2,...,m)的相关积分结果作 为星座图的Q路数据。绘制得到星座图。在本实施例中，同时共收到7颗卫星信号s_i(i＝1,...,7)， 即7颗卫星信号的相关结果超过门限阈值。以s₁的相关积分结果作为星座图的x轴坐标，以 其他6颗卫星信号s_i(i＝2,...,7)的相关积分结果作为星座图的y轴坐标，得到星座图如图2所示 (图中横纵坐标表示载噪比)。使用专用仪器产生一颗欺骗卫星信号，绘制得到星座图，如图 3所示。在图3中，欺骗卫星信号形成的新的星座点组合用黑圈标出，从图中可以明显的分 辨出欺骗卫星信号和正常卫星信号。当欺骗卫星信号的信号强度和正常卫星信号存在明显差 异的时候，从星座图可以很容易发现欺骗卫星信号。即在制得星座图后即可进行判断，若存 在某一卫星信号的星座点偏离正常卫星信号范围，则认为存在欺骗卫星信号。为了提高识别 率可进一步进入步骤7、8对星座图进行聚类处理，基于聚类结果进行识别。

步骤7.聚类算法处理：首先按照实际坐标轴的范围将星座图划分为N×N的区域，生成 一个N×N的矩阵。如图2中，生成200×200的矩阵。统计星座图中每个区域的点数来计算星 座点的密集程度：当密集程度大于预先设定的门限α，则矩阵的对应元素设置为1。当对所有 的星座点完成统计后对矩阵中为1的点按照P类进行K均值聚类，得到P个聚类中心 p＝1,2,...,P。当获得时间段i的聚类中心信息后，针对新统计的时间段j，计算两个时间段各 聚类中心之间的欧式距离其中d为计算欧式距离。在本实施例中，首先对当 前空间的正常卫星信号进行一段时间的采集进行训练，形成的聚类结果如图4所示(图2中 四个象限结果对称，本例中可只对第一象限的点进行聚类，图4为第一象限的聚类结果)，然 后再开启专用仪器产生欺骗卫星信号，经过一段时间的运行和信号采集后，形成的聚类结果 如图5所示。从图中可以看出，图5的最右侧聚类与图4有明显区别，这是由于欺骗信号的 作用而产生的新聚类。

步骤8.欺骗卫星判别：通过计算两图欧式距离的结果，分析D_ij的大小可以对是否存在 欺骗卫星信号进行判断。在实际应用中具体的判决门限将根据经过系统训练后的数据来确定。

本发明实施例公开的一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别装置，包括：卫星信号处理 单元，用于对获取到的各卫星信号进行处理，得到判决前的数据码序列；星座图建立单元， 用于以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图；区域 星座点统计单元，用于根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统 计每个区域的点数得到星座点的密集程度；以及识别单元，用于将标记为密集的区域进行聚 类，根据不同时间段聚类中心之间的欧式距离判断是否存在欺骗卫星信号，若两个时间段聚 类中心的距离大于设定的门限则认为存在欺骗卫星信号。该基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识 别装置实施例可以用于执行上述基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法实施例，其技术原理、 所解决的技术问题及产生的技术效果相似，具体实现细节此处不再赘述。

基于与方法实施例相同的技术构思，本发明实施例还公开一种基于星座轨迹的卫星欺骗 干扰识别装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序， 所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述方法基于获取到的各卫星的判决前的数据码序列建立星座图，通过星座图提取卫星空间分布特征识别欺骗卫星干扰，包括以下步骤：

(1)以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图；

(2)根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统计每个区域的点数得到星座点的密集程度；

(3)将标记为密集的区域进行聚类，根据不同时间段聚类中心之间的欧式距离判断是否存在欺骗卫星信号，若两个时间段聚类中心的距离大于设定的门限则认为存在欺骗卫星信号。

2.根据权利要求1所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述数据码序列是将采集到的卫星发射信号变频到基带后再进行相关及积分运算后得到的判决前的数据码序列。

3.根据权利要求2所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述步骤(1)中以一颗卫星信号相关积分运算后输出信号的载噪比作为星座图的x轴坐标，以其他卫星信号相关积分运算后输出信号的载噪比作为星座图的y轴坐标建立星座图，其中卫星信号经过相关及积分运算后输出的信号表示为：s_o(Δτ)＝P_s·D(t₀)·cos(Δφ)·R(Δτ)+N_o；其中，Ts是积分时间，C(t)是C/A码，Δτ＝τ-τ'，τ为信号传输时延，τ'为伪码时延，P_s为信号发射功率，Δφ为相位偏差，D(t₀)是数据码，在积分时间之内为常数，N_o为噪声功率谱密度。

4.根据权利要求1所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述步骤(2)中将星座图划分为N×N的区域，生成一个N×N的矩阵，当每个区域的星座点数大于设定的门限，则将矩阵的对应元素设置为1，标记为密集区域，其中N为星座图的坐标轴范围。

5.根据权利要求4所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用K均值聚类算法对矩阵中为1的点进行聚类。

6.根据权利要求1所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过分析两个时间段各聚类中心之间的欧式距离之和的大小判断是否存在欺骗卫星信号；其中，P为聚类中心个数，表示时间段i第p个聚类中心到时间段j第p个聚类中心的欧式距离。

7.根据权利要求1所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法，其特征在于：在所述步骤(1)建立星座图之后，还包括，判断若存在某一卫星信号的星座点偏离正常卫星信号范围，则认为存在欺骗卫星信号。

8.一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别装置，其特征在于：包括：

卫星信号处理单元，用于对获取到的各卫星信号进行处理，得到判决前的数据码序列；

星座图建立单元，用于以任一颗卫星数据码为I路数据，以其他卫星数据码为Q路数据分别建立星座图；

区域星座点统计单元，用于根据星座图的坐标轴范围将星座图划分为若干个大小相同的区域，统计每个区域的点数得到星座点的密集程度；

以及识别单元，用于将标记为密集的区域进行聚类，根据不同时间段聚类中心之间的欧式距离判断是否存在欺骗卫星信号，若两个时间段聚类中心的距离大于设定的门限则认为存在欺骗卫星信号。

9.一种基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-7任一项所述的基于星座轨迹的卫星欺骗干扰识别方法。