CN110879404B - 一种基于相关峰和残留信号相结合的gnss欺骗干扰检测方法 - Google Patents

一种基于相关峰和残留信号相结合的gnss欺骗干扰检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：步骤1：在GNSS信号捕获阶段；步骤2：拟合得到每个网格点的在GNSS信号跟踪状态下，实时获取利用多路相关器产生不同码延迟的相关峰采样点；步骤3：对步骤2所得到的预处理结果进行处理，得到包括相关峰的半高宽FWHM、比例检测统计量和相关峰对称系数在内的欺骗干扰检测量步骤4：综合步骤1和步骤3所得的检测结果，分析判定GNSS欺骗干扰的检测情况。本发明提供了一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，具有较低的实现成本、较高的灵活性和灵敏度等特点。

Description

一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法
技术领域
本发明属于电磁干扰领域，特别涉及该领域中的一种GNSS欺骗干扰信号的检测方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，卫星导航定位授时(PNT)技术已经融入到各个应用领域，包括交通、测绘、通信、航空、科研等。但由于电磁环境日益复杂，有意或无意的干扰越来越多，而且卫星信号自身存在脆弱性，这导致了卫星导航信号容易受到干扰。压制式干扰信号功率往往比较高，容易被发现，通过通用的频谱分析设备就能进行检测，而欺骗干扰信号功率较低，隐蔽性强，可能造成的危害更大。
欺骗干扰源能发射与真实导航信号结构类似的干扰信号，在接收机毫无觉察的情况下，使接收机捕获和跟踪到欺骗信号上，并解码欺骗信号所携带的导航信息来进行定位解算，进而达到预定的欺骗效果。因此，欺骗干扰比压制干扰更具有威胁性。与此同时，随着软件定义无线电(SDR)技术的成熟，实施欺骗式干扰攻击的灵活性越来越大，实施成本却越来越低。这无疑使GNSS接收机面临的威胁更加严重。
GNSS欺骗干扰检测是抗欺骗干扰的基础，也是最为核心的关键技术之一。为此，研究人员提出了多种欺骗干扰检测的方法，概况起来主要有采用天线阵列的方法、采用接收机载噪比(CN0)的方法、基于信号达到时间的方法、与INS等设备一致性校验的方法、加密认证体制等。上述方法存在各自的优点，缺点主要是实现成本高或者实现难度大等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是在基于信号达到时间的检测方法基础上，提供一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1：在GNSS信号捕获阶段，利用多普勒频移和码相位延迟构成的搜索区域内的残留信号特征进行GNSS欺骗干扰检测，若检测结果存在欺骗干扰，则输出对应的检测信息，具体为：
步骤11：获取所检测GNSS频点的中频数字信号，进行信号捕获，得到多普勒频移和码相位延迟两个维度的相关峰搜索结果；
步骤12：分别在无干扰和不同强度干扰的情况下，执行步骤11，分别记录上述检测结果，然后确定GNSS信号捕获阈值和欺骗干扰信号的判定阈值；
步骤13：根据步骤12确定的阈值，在实际环境下进行GNSS欺骗干扰信号检测，若存在两个超过预设门限的相关峰，则可判定该卫星信号对应存在欺骗干扰，记录该卫星的伪随机噪声PRN和两个相关峰值的码相位及多普勒频移信息；
步骤2：在GNSS信号跟踪状态下，实时获取利用多路相关器产生不同码延迟的相关峰采样点，并选择合适的时间检测窗口进行数据预处理，即对连续多个观测时刻的相关峰观测值进行加权后求和或者直接取均值；
步骤3：对步骤2所得到的预处理结果进行处理，得到包括相关峰的半高宽FWHM、比例检测统计量和相关峰对称系数在内的欺骗干扰检测量，具体为：
步骤31：在GNSS信号跟踪阶段，根据多相关器并行处理输出的相关峰采样点计算相关峰的半高宽FWHM；若相关峰点数较少，则采用三角函数拟合或者高斯函数拟合，并计算拟合误差；
步骤32：利用早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值计算比例检测统计量M1和M2，其中：
Figure BDA0002170518520000021
IE[k]、IEE[k]、IL[k]、ILL[k]和IP[k]分别是早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值，k为样点值的序列索引，α为相关函数斜率的绝对值；
步骤33：利用相关器输出的所有相关峰样点值计算相关峰的对称系数Ks，通常采用相关峰最大值两侧的斜率之比或面积之比；
步骤4：综合步骤1和步骤3所得的检测结果，分析判定GNSS欺骗干扰的检测情况：如果步骤1中检测到存在两个超过预设门限的相关峰，则说明存在欺骗干扰；如果步骤3中的相关峰值超过设定的阈值而且相关峰半高宽FWHM、相关峰对称系数、比例检测统计量偏离程度超过相应阈值，则判定存在欺骗干扰，以上阈值可通过所使用的接收机在无明显电磁干扰的条件下在既定工作模式下观测一段时间并取均值得到，若不同时段的阈值相差较大，可以分不同时段分别计算阈值，步骤1和步骤3任何一步检测到欺骗干扰，都判定存在欺骗干扰。
进一步的，在步骤11中，多普勒搜索范围设置为[-10，10]kHz，码相位搜索范围设置为完整的码长度。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，具有较低的实现成本、较高的灵活性和灵敏度等特点。具体地说：不需要阵列天线，成本较低；不依赖固定位置，灵活性较高；在信号捕获阶段从多普勒、码相位等维度进行更大范围检测；在信号跟踪阶段利用相关峰的多个参量进行检测，灵敏度高；基于相关峰和残留信号相结合的方法应用范围更广。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开方法的原理示意图；
图2是本发明实施例1所公开方法中步骤13对GPS L1CA信号的检测结果示意图；
图3是本发明实施例1所公开方法步骤31中多相关器并行处理输出的相关峰随时间的变化示意图；
图4是相关峰的半高宽FWHM示意图，相当于图3的一个时间切片；
图5是本发明实施例1所公开方法步骤32中比例检测统计量和步骤33中对称系数的示意图；
图6是本发明实施例1所公开基于残留信号的欺骗干扰检测结果示例图；
图7是本发明实施例1所公开连续跟踪得到的相关峰检测结果示例图；
图8是本发明实施例1所公开包含欺骗干扰信号的相关峰检测结果示例图(时间切片)；
图9是本发明实施例1所公开基于相关峰对称系数和比例检测统计量的欺骗干扰检测结果示例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，可以通过GNSS天线同时接收导航卫星的真实信号和GNSS欺骗干扰源发射的欺骗干扰信号，可以对导航频段内各个频点的欺骗干扰信号在捕获阶段和跟踪阶段进行实时检测，其原理如图1所示。信号捕获阶段的欺骗干扰检测主要是基于GNSS信号PRN(伪随机噪声)码的自相关和互相关特性，通过判定超过规定阈值的相关峰的个数进行检测。信号捕获阶段通常用来检测未进入跟踪环路状态的欺骗信号，而对于已经进入码环跟踪状态的GNSS欺骗干扰信号，则利用跟踪状态中的信号相关峰进行检测，通常由多个相关器并行计算不同码相位延迟的信号相干累加值，检测范围通常是[-2，2]码片。检测参数通常包括相关峰的半高宽(FWHM)、比例检测统计量和相关峰对称系数等。检测方式可以是多通道并行检测，也可以是多通道轮询检测，以便更精细地实时跟踪检测欺骗信号入侵跟踪环路的过程，检测中高级的GNSS欺骗干扰信号。本方法将以上两种检测方式有效结合，可以在GNSS信号捕获和跟踪阶段实现对欺骗干扰信号的检测。
具体的说，本实施例公开了一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在GNSS信号捕获阶段，利用多普勒频移和码相位延迟构成的搜索区域内的残留信号特征进行GNSS欺骗干扰检测，若检测结果存在欺骗干扰，则输出对应的检测信息，具体为：
步骤11：获取所检测GNSS频点的中频数字信号，进行信号捕获，得到多普勒频移和码相位延迟两个维度的相关峰搜索结果；
步骤12：分别在无干扰和不同强度干扰的情况下，执行步骤11，分别记录上述检测结果，然后确定GNSS信号捕获阈值和欺骗干扰信号的判定阈值；
步骤13：根据步骤12确定的阈值，在实际环境下进行GNSS欺骗干扰信号检测，若存在两个超过预设门限的相关峰(具体的判定门限需要根据接收机性能和周围环境噪声进行测定)，则可判定该卫星信号对应存在欺骗干扰，记录该卫星的伪随机噪声PRN和两个相关峰值的码相位及多普勒频移信息；以GPS L1CA信号为例，检测结果如图2所示。
步骤2：在GNSS信号跟踪状态下，实时获取利用多路相关器产生不同码延迟的相关峰采样点，并选择合适的时间检测窗口进行数据预处理，即对连续多个观测时刻的相关峰观测值进行加权后求和或者直接取均值；
步骤3：对步骤2所得到的预处理结果进行处理，得到包括相关峰的半高宽FWHM、比例检测统计量和相关峰对称系数在内的欺骗干扰检测量，具体为：
步骤31：如图3，4所示，在GNSS信号跟踪阶段，根据多相关器并行处理输出的相关峰采样点计算相关峰的半高宽FWHM；若相关峰点数较少，则采用三角函数拟合或者高斯函数拟合，并计算拟合误差；
步骤32：如图5下部曲线所示，利用早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值计算比例检测统计量M1和M2，其中：
Figure BDA0002170518520000041
IE[k]、IEE[k]、IL[k]、ILL[k]和IP[k]分别是早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值，k为样点值的序列索引，α为相关函数斜率的绝对值；
步骤33：如图5上部曲线所示，利用相关器输出的所有相关峰样点值计算相关峰的对称系数Ks，通常采用相关峰最大值两侧的斜率之比或面积之比；图5是在正常条件下的计算结果，可以作为参考阈值。
步骤4：综合步骤1和步骤3所得的检测结果，分析判定GNSS欺骗干扰的检测情况：如果步骤1中检测到存在两个超过预设门限的相关峰，则说明存在欺骗干扰；如果步骤3中的相关峰值超过设定的阈值而且相关峰半高宽FWHM、相关峰对称系数、比例检测统计量偏离程度超过相应阈值，则判定存在欺骗干扰，以上阈值可通过所使用的接收机在无明显电磁干扰的条件下在既定工作模式下观测一段时间并取均值得到，若不同时段的阈值相差较大，可以分不同时段分别计算阈值，步骤1和步骤3任何一步检测到欺骗干扰，都判定存在欺骗干扰。
在步骤11中，多普勒搜索范围设置为[-10，10]kHz，码相位搜索范围设置为完整的码长度，而码长度由GNSS信号结构决定。
为了验证本实施例所公开方法的准确性和可靠性，选取了在GNSS信号捕获阶段和跟踪阶段分别加入GNSS欺骗干扰信号，然后对GNSS欺骗干扰信号进行检测的结果进行验证，结果分别如图6-9所示。
从图6中可以明显看到同时存在2个超过阈值的较大相关峰，可以判定此段信号内存在GPS L1CA信号PRN＝18号卫星的欺骗干扰信号；图7是并行的多个相关器连续跟踪GNSS信号得到的相关峰随时间变化的检测结果，从中可以看出相关峰存在明显的畸变；图8是在跟踪阶段某时刻的包含欺骗干扰信号的相关峰检测结果示例图，可以看到明显的相关峰畸变；图9显示的是整个欺骗干扰过程中相关峰对称系数和比例检测统计量的变化情况，信号总长度约为470s，其中[118，356]s加入欺骗干扰，从图中可以看出两个检测量的明显变化，据此可以判定出存在欺骗干扰信号。可见本实施例所公开的一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法有效，在GNSS欺骗干扰检测技术领域具有重要的价值。

Claims (2)

1.一种基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在GNSS信号捕获阶段，利用多普勒频移和码相位延迟构成的搜索区域内的残留信号特征进行GNSS欺骗干扰检测，若检测结果存在欺骗干扰，则输出对应的检测信息，具体为：
步骤11：获取所检测GNSS频点的中频数字信号，进行信号捕获，得到多普勒频移和码相位延迟两个维度的相关峰搜索结果；
步骤12：分别在无干扰和不同强度干扰的情况下，执行步骤11，分别记录上述检测结果，然后确定GNSS信号捕获阈值和欺骗干扰信号的判定阈值；
步骤13：根据步骤12确定的阈值，在实际环境下进行GNSS欺骗干扰信号检测，若存在两个超过预设门限的相关峰，则可判定该卫星信号对应存在欺骗干扰，记录该卫星的伪随机噪声PRN和两个相关峰值的码相位及多普勒频移信息；
步骤2：在GNSS信号跟踪状态下，实时获取利用多路相关器产生不同码延迟的相关峰采样点，并选择合适的时间检测窗口进行数据预处理，即对连续多个观测时刻的相关峰观测值进行加权后求和或者直接取均值；
步骤3：对步骤2所得到的预处理结果进行处理，得到包括相关峰的半高宽FWHM、比例检测统计量和相关峰对称系数在内的欺骗干扰检测量，具体为：
步骤31：在GNSS信号跟踪阶段，根据多相关器并行处理输出的相关峰采样点计算相关峰的半高宽FWHM；若相关峰点数较少，则采用三角函数拟合或者高斯函数拟合，并计算拟合误差；
步骤32：利用早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值计算比例检测统计量M1和M2，其中：
Figure FDA0002170518510000011
IE[k]、IEE[k]、IL[k]、ILL[k]和IP[k]分别是早码和早早码、晚码和晚晚码以及即时码对应的相关峰样点值，k为样点值的序列索引，α为相关函数斜率的绝对值；
步骤33：利用相关器输出的所有相关峰样点值计算相关峰的对称系数Ks，通常采用相关峰最大值两侧的斜率之比或面积之比；
步骤4：综合步骤1和步骤3所得的检测结果，分析判定GNSS欺骗干扰的检测情况：如果步骤1中检测到存在两个超过预设门限的相关峰，则说明存在欺骗干扰；如果步骤3中的相关峰值超过设定的阈值而且相关峰半高宽FWHM、相关峰对称系数、比例检测统计量偏离程度超过相应阈值，则判定存在欺骗干扰，以上阈值可通过所使用的接收机在无明显电磁干扰的条件下在既定工作模式下观测一段时间并取均值得到，若不同时段的阈值相差较大，可以分不同时段分别计算阈值，步骤1和步骤3任何一步检测到欺骗干扰，都判定存在欺骗干扰。
2.根据权利要求1所述基于相关峰和残留信号相结合的GNSS欺骗干扰检测方法，其特征在于：在步骤11中，多普勒搜索范围设置为[-10，10]kHz，码相位搜索范围设置为完整的码长度。
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