CN110058270B - 一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导航欺骗领域，具体公开了一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法。该方法包括：步骤(1)计算用户与卫星之间的相对距离；步骤(2)计算期望的错误定位点与卫星之间的相对距离；步骤(3)将步骤(1)和(2)得到的距离做差，得到待补偿伪距(或载波)观测量；步骤(4)利用钟差拟合多项式补偿步骤(3)得到的待补偿伪距(或载波)观测量，得到拟合系数；步骤(5)计算拟合误差，对不满足拟合精度的结果，缩短拟合区间，重复步骤(4)，直到满足条件，将对应拟合系数填入待发射的导航电文中，实现欺骗信号产生。该方法计算量小，可使用户得到连续的错误定位结果，达到降低用户定位(或授时)精度或定位错误的目的。

Description

一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法

技术领域

本发明涉及导航欺骗领域，具体涉及一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法。

背景技术

随着导航技术的进步，更多的智能化设备依靠卫星导航实现其定位与授时，其中无人机作为智能化设备的代表，在农业灌溉、电网维护、消防救援等行业发展潜力巨大，但因存在恐怖袭击、民航干扰等潜在问题也广受争议，为防止和遏制无人机可能带来的危害，目前有效的反制手段包括“干扰、欺骗、摧毁、网捕”等，其中导航欺骗因通用性强，隐蔽性好且无二次危害等优点，是无人机反制的有效手段。

目前，导航欺骗源大体可分为两类：生成式和转发式，上述两种方法均是从信号层面出发，即通过直接改变或者增加伪距或载波观测量延时进而得到虚假的欺骗信号，该方法对硬件要求高且计算量大。针对于传统方法存在的不足，本发明从信息层面出发，通过对导航电文中的特定比特进行修改得到连续的错误定位结果，可有效降低导航接收机定位或授时精度，为导航欺骗信号产生提供了一种新的实现途径。

发明内容

本发明提出了一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法。通过直接修改导航电文中的钟差多项式系数，补偿由于欺骗引起的伪距或载波变化量，从而起到篡改用户位置或时间的目的。该方法可应用于导航欺骗领域，具有很强的实际应用价值。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法，包括以下步骤：

步骤(1)：首先利用雷达等探测设备获取用户位置信息，同时使用接收天线获取当前真实卫星星历与时间信息，进而得到真实的伪距或载波观测量；

步骤(2)：将期望的用户错误定位点标记为X_e，计算X_e与卫星之间的相对距离关系，进而得到虚假的伪距或载波观测量；

步骤(3)：将步骤(1)和步骤(2)中的伪距或载波观测值做差，得到待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，用于为步骤(4)的曲线拟合提供数据来源；

步骤(4)：利用步骤(3)中获得的待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，结合导航电文中的钟差拟合多项式f(t)：

f(t)＝a_f0+a_f1(t-t_oc)+a_f2(t-to_c)²

其中，a_f0，a_f1和a_f2为二项式拟合系数，t_oc为参考时间；

确定待优化目标为：

当且仅当T₀＜t＜T₁使得

其中，M为事先给定的拟合精度，T₀＜t＜T₁为拟合区间；对于不同的观测历元T(t₁,t₂,t₃…t_n-1,t_n)，基于最小二乘的批处理方法拟合系数a_f0，a_f1和a_f2：

其中，(τ₁,τ₂…τ_n-1,τ_n)为不同的观测历元T(t₁,t₂,t₃…t_n-1,t_n)对应的待补偿的伪距或载波观测量，则最终的拟合系数

和

表示为：

最终通过钟差拟合多项式补偿因为欺骗导致的伪距或载波变化量增量τ(t)；

步骤(5)：根据步骤(4)得到的拟合系数

和

计算拟合误差ε_p：

比较ε_p与M大小关系，若ε_p≤M，则执行步骤(6)，否则缩短观测历元，重复执行步骤(4)和步骤(5)，直到满足ε_p≤M，继而执行步骤(6)，最终通过拟合误差分析，得到满足拟合精度的拟合参数；

步骤(6)：将满足条件的拟合系数填入待发射的导航电文相应比特位处，实现欺骗信号的产生。

本发明的有益效果在于：

通用性强：本发明对凡使用卫星导航系统进行导航定位的载体均切实有效；

计算量小：相比于传统的精密延时算法，本发明提出的算法计算量小；

隐蔽性强：通过基于导航电文的缓变修改方法，可有效降低用户的定位精度且不便于检测。

附图说明

图1是本发明设计的导航欺骗信号产生与实现流程图；

图2是本发明涉及的用户真实位置与某颗卫星距离曲线图；

图3是本发明涉及的用户虚假位置与某颗卫星距离曲线图；

图4是本发明涉及的待补偿伪距曲线图；

图5是本发明涉及的拟合曲线图；

图6是本发明涉及的拟合误差曲线图；

图7是本发明涉及的不同拟合区间的拟合误差曲线图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明，应当理解，此处所描述的内容仅用以解释本发明，并不局限于本发明。

导航欺骗信号产生与实现流程图如图1所示。详细步骤如下所述：

一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法，包括以下步骤：

步骤(1)：首先利用雷达等探测设备获取用户位置信息，同时使用接收天线获取当前真实卫星星历与时间信息，进而得到真实的伪距或载波观测量；

步骤(2)：将期望的用户错误定位点标记为X_e，计算X_e与卫星之间的相对距离关系，进而得到虚假的伪距或载波观测量；

步骤(3)：将步骤(1)和步骤(2)中的伪距或载波观测值做差，得到待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，用于为步骤(4)的曲线拟合提供数据来源；

步骤(4)：利用步骤(3)中获得的待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，结合导航电文中的钟差拟合多项式：

f(t)＝a_f0+a_f1(t-to_c)+a_f2(t-to_c)²

确定待优化目标为：

当且仅当T₀＜t＜T₁使得

对于不同的观测历元T(t₁,t₂,t₃…t_n-1,t_n)，基于最小二乘的批处理方法拟合系数a_f0，a_f1，a_f2，表达式如下：

最终的拟合系数

和

表示为：

通过钟差拟合多项式补偿因为欺骗导致的伪距或载波变化量增量τ(t)；

步骤(5)：根据步骤(4)得到的拟合系数

和

计算拟合误差ε_p：

比较ε_p与M大小关系，若ε_p≤M，则执行步骤(6)，否则缩短观测历元，重复执行步骤(4)和步骤(5)，直到满足ε_p≤M，继而执行步骤(6)，最终通过拟合误差分析，得到满足拟合精度的拟合参数；

步骤(6)：将满足条件的拟合系数填入待发射的导航电文相应比特位处，实现欺骗信号的产生。

下面结合一个算例，对该方法进行解释说明：一静止用户位于东经112.994037，北纬28.228498，高度1000米，现期望将用户向正北方向以180公里每小时速度拉偏到东经112.994037，北纬29.128498，高度1000米处。

以某颗卫星为例，按技术方案步骤叙述如下：

步骤(1)：根据静止用户的真实位置和当前接收到的卫星星历信息，得到用户真实位置与卫星之间的距离，如图2所示；

步骤(2)：为将用户错误定位到东经112.994037，北纬29.128498，计算整个运动过程中，用户虚假位置与卫星之间的距离，如图3所示；

步骤(3)：将步骤(1)和步骤(2)中的伪距观测值做差，得到待补偿的伪距观测量，如图4所示；

步骤(4)：利用步骤(3)待补偿的伪距观测量，采用最小二乘批处理的方法，得到拟合系数分别为

和

对应的拟合曲线如图5所示；

步骤(5)：计算拟合误差如图6所示，可见最大拟合误差可达60米，假定要求拟合精度优于0.02米，即M＝0.02，该拟合误差不能满足条件，故缩短拟合区间，重新进行步骤(4)和步骤(5)，直到满足拟合精度后停止，如图7所示；

步骤(6)：由图7可知，当拟合区间小于2分钟时，拟合精度满足条件，将此对应拟合系数填入导航电文中，播发导航欺骗信号，结束。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，并给出算例以便于技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明并不仅限于此范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于钟差拟合的导航欺骗信号产生方法，包括以下步骤：

步骤(1)：首先利用雷达获取用户位置信息，同时使用接收天线获取当前真实卫星星历与时间信息，进而得到真实的伪距或载波观测量；

步骤(2)：将期望的用户错误定位点标记为X_e，计算X_e与卫星之间的相对距离关系，进而得到虚假的伪距或载波观测量；

步骤(3)：将步骤(1)和步骤(2)中的伪距或载波观测值做差，得到待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，用于为步骤(4)的曲线拟合提供数据来源；

步骤(4)：利用步骤(3)中获得的待补偿的伪距或载波观测量τ(t)，结合导航电文中的钟差拟合多项式f(t)：

f(t)＝a_f0+a_f1(t-t_oc)+a_f2(t-t_oc)²

其中，a_f0，a_f1和a_f2为二项式拟合系数，t_oc为参考时间；

确定待优化目标为：

当且仅当T₀<t<T₁使得

其中，M为事先给定的拟合精度，T₀<t<T₁为拟合区间；对于不同的观测历元T(t₁,t₂,t₃…t_n-1,t_n)，基于最小二乘的批处理方法拟合系数a_f0，a_f1和a_f2：

其中，(τ₁,τ₂…τ_n-1,τ_n)为不同的观测历元T(t₁,t₂,t₃…t_n-1,t_n)对应的待补偿的伪距或载波观测量，则最终的拟合系数

和

表示为：

最终通过钟差拟合多项式补偿因为欺骗导致的待补偿的伪距或载波观测量τ(t)；

步骤(5)：根据步骤(4)得到的拟合系数

和

计算拟合误差ε_p：

比较ε_p与M大小关系，若ε_p≤M，则执行步骤(6)，否则缩短观测历元，重复执行步骤(4)和步骤(5)，直到满足ε_p≤M，继而执行步骤(6)，最终通过拟合误差分析，得到满足拟合精度的拟合参数；

步骤(6)：将满足条件的拟合系数填入待发射的导航电文相应比特位处，实现欺骗信号的产生。

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