CN110954925A

CN110954925A - 一种北斗抗欺骗式干扰的方法及gnss授时型接收装置

Info

Publication number: CN110954925A
Application number: CN201911306247.5A
Authority: CN
Inventors: 严锋; 严明; 严俊
Original assignee: Roch Electronic Co ltd
Current assignee: Roch Electronic Co ltd
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN110954925B

Abstract

本发明提供一种北斗抗欺骗式干扰的方法及GNSS授时型接收装置，属于GNSS授时技术领域。本发明方法包括如下步骤：系统初始化，建立系统时差测量模型；装置处于正常锁定状态；判断是否失锁，如果否，计算并更新系统时差测量模型，并继续锁定状态，如果是，执行下一步；欺骗检测子程序启动，启动校验工作，判断是否遭遇欺骗干扰，如果是，执行下一步；系统进入防御状态，此时，授时状态为保持状态，不输出任何位置信息，并发出欺骗告警。本发明的有益效果为：可有效的降低关键部门的时频设备遭遇转发式GNSS欺骗的概率，减少对GNSS欺骗造成的损失。

Description

一种北斗抗欺骗式干扰的方法及GNSS授时型接收装置

技术领域

本发明涉及GNSS授时技术领域，尤其涉及一种北斗抗欺骗式干扰的方法，还包括实现所述北斗抗欺骗式干扰的方法的GNSS授时型接收装置。

背景技术

随着IT产业的快速发展，对高精度授时的需求越来越多，精度越来越高。各种应用对GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)授时的依赖也越来越严重，随着软件无线电的技术进步，转发式欺骗成了对GNSS授时设备的主要欺骗手段，由于转发式欺骗采用真实卫星信号通过逐渐拉偏时钟来欺骗GNSS授时设备，因此检测及防御都很难，但造成的后果相比原有的欺骗手段损失更为严重，因此检测并防御转发式欺骗显得尤为重要。

近期美国提出了授时战等概念是以对GPS，北斗等GNSS信号进行干扰实现对关键部门的打击造成系统性的功能瘫痪。对GNSS信号进行干扰主要分为压制式干扰和欺骗式干扰，欺骗式干扰相对于压制式干扰对关键部门更具破坏性。

现有发明多采用相对定位的方式检测，需要额外设置接收机，在使用中比较复杂不适用。并且，已有技术的检测出发点是通过对包括卫星接收信号的仰角，以及信息的检测方法，当采用转发式欺骗时由于信息的完整性较高，检测成功率低。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种北斗抗欺骗式干扰的方法，还提供一种实现所述北斗抗欺骗式干扰的方法的GNSS授时型接收装置。

本发明北斗抗欺骗式干扰的方法包括如下步骤：

S1：启动，系统初始化，建立系统时差测量模型；

S2：装置处于正常锁定状态；

S3：判断是否失锁，如果否，计算并更新系统时差测量模型，并继续锁定状态，循环执行步骤S2，如果是，执行下一步；

S4：欺骗检测子程序启动，启动校验工作，判断是否遭遇欺骗干扰，如果否，执行步骤S2，如果是，执行下一步；

S5：系统进入防御状态，此时，授时状态为保持状态，不输出任何位置信息，并发出欺骗告警。

本发明作进一步改进，还包括系统恢复步骤S6：人工干预进行防御，同时，欺骗检测子程序实时更新校验值，如果低于阈值，系统发出检测正常通知，由用户人工干预，恢复系统，重新跟踪系统工作状态。

本发明作进一步改进，步骤S1中，所述系统初始化完成的操作包括：系统的初始化位置测定和存储；收集接收的卫星信号的平均增益；时钟驯服；建立系统时差测量模型。

本发明作进一步改进，接收机卫星信号的平均增益的收集方法为：在已接收的卫星信号中，根据所有仰角大于15度的卫星信号计算平均信噪比，连续15分钟每分钟采样1组数据计算平均信噪比，计算平均值并存入系统存储器。

本发明作进一步改进，所述系统时差测量模型为本振稳定度评估模型，其建立方法为：本地振荡器进入有参考源的保持状态，时钟测量模块对参考源和本地振荡器进行测量，并计算原子钟与本地振荡器的时域稳定度曲线，计算100s和1000s稳定度值并存储入系统存储器。

本发明作进一步改进，所述时域稳定度的计算方法为：

其中，N为采样次数，τ为采样间隔，测量100秒时取值100，测量1000秒时取值1000，X_i为第i次采样结果，i为τ的整数倍，且0≤i≤N。

本发明作进一步改进，步骤S3中，所述欺骗检测子程序的校验方法包括如下步骤：

S31：平均功率校验：平均功率检测在触发信息检测校验时开始评估，当评估值与保存值差别绝对值大于20dbm时，发GNSS信号变动较大告警，然后启动位置校验；

S32：位置校验：系统设置接收机重新进入动态位置测量状态，并重新计算平均位置，当重新计算位置与保存位置差别大于50米时，则启动时间准确度，频率准确度校验；

S33：时间准确度，频率准确度校验：当初始时间偏差大于1us或时间变化率绝对值大于100ns/60s，则启动频率稳定度校验；

S34：频率稳定度校验：根据原子钟与GNSS接收机1PPS进行测量并计算时域稳定度，当第一时间间隔内稳定度不达标时，则对第二时间间隔内的稳定度进行测量，其中，第二时间间隔大于第一时间间隔，计算当两个稳定度测量结果与保存结果存在一个或一个以上数量级差异时，发出GNSS遭遇欺骗干扰告警。

本发明还提供一种实现所述北斗抗欺骗式干扰的方法的GNSS授时型接收装置，包括GNSS天线、GNSS接收机、测量模块、原子钟模块、数据处理及数字锁相环模块和授时接口，其中，所述GNSS接收机的输入端与所述GNSS天线的输出端相连，所述GNSS接收机的输出端与原子钟模块的输出端分别与测量模块的输入端相连，所述数据处理及数字锁相环模块分别与所述GNSS接收机、原子钟模块和测量模块相连，所述授时接口与原子钟模块相连，用于时间及频率输出。

本发明作进一步改进，所述GNSS接收机包括但不限于多模单频接收机、单模单频接收机或多频多模接收机。

本发明作进一步改进，所述测量模块包括但不限于FPGA或SOC设计的时差测量模块、专用TDC测量芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可有效的降低关键部门的时频设备遭遇转发式GNSS欺骗的概率，减少对GNSS欺骗造成的损失。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的的GNSS授时型接收装置，包括GNSS天线01、GNSS接收机02、测量模块03、原子钟模块04、数据处理及数字锁相环模块05和授时接口06，其中，所述GNSS接收机02的输入端与所述GNSS天线01的输出端相连，所述GNSS接收机02的输出端与原子钟模块04的输出端分别与测量模块03的输入端相连，所述数据处理及数字锁相环模块05分别与所述GNSS接收机02、原子钟模块04和测量模块03相连，所述授时接口06与原子钟模块04相连，用于时间及频率输出。

本例的GNSS天线01可采用能接收各种GNSS信号的天线，包括不限于北斗单模天线，GNSS多模天线等。GNSS接收机02包括不限于普通多模或单模单频接收机，或多频多模高精度接收机。

测量模块03包括不限于使用FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)或SOC(系统级芯片)设计的时差测量模块也可以使用专用TDC(Internetexplorer提供的内置数据源控件)测量芯片。

本例原子钟模块04可使用铷原子钟模块或铯原子钟设备。数据处理及数字锁相环模块05包括不限于采用ARM处理器。授时接口模块06包括不限于提供1PPS+TOD(1Hz或1次/秒+时间信息)输出，NTP(网络时间协议)输出，PTP(高精度时间同步协议)输出功能。

本发明为了检测欺骗式干扰，测量模块03对GNSS接收机02输出的1PPS秒与原子钟模块04输出的1PPS秒信号进行测量。在正常锁定时测量模块03测量的原子钟与接收机授时信息会被数据处理及数字锁相环模块05完成锁定并通过数字锁相环路内置的计算软件计算出原子钟的时域特性，包括时钟偏差，时钟稳定性，时钟频率漂移率等。

由于在进行转发式干扰前都要进行压制式干扰造成接收机失锁，因此在装置进入接收机失锁状态后，系统的原子钟模块04将进入保持，待装置重新进入锁定状态后数据处理及数字锁相环模块05则根据内建的原子钟模块时域模型对装置进行测量。

其中，在出现较大时钟偏差时，数据处理及数字锁相环模块05会控制原子钟模块04进入防御状态，此种情况一般多为转发式欺骗。另外一种欺骗则采用逐渐时间拉偏式的欺骗方法，当采用此方法进行转发式欺骗式时，由于内置的原子钟模块04具备保持特性，在进行测量时将可看到时钟偏移特性，相比原有内建的时域模型有很大差别，则通过此方法可对逐渐拉偏的转发式欺骗完成检测。其中时域分析方法包含时间偏差，时间偏差变化率，频率偏差计算，ALLAN方差，同时还可以采用可选的MTIE时间偏差、TDEV时间偏差和最大时间偏差分析方法等。

作为本发明的一个实施例，本例的频率偏差计算公式为：

y(t)＝slope＝[x(end)-X(start]/(M-1)

其中，x(end)为当前相位值，x(start)为起始相位值，M为采样数。

ALLAN方差计算公式为：

其中，N为采样数，x_i为第i个相位值τ为采样间隔，0≤i≤N。

本例MTIE时间偏差的计算公式为：

MTIE(τ)＝Max_1≤k≤N-n{Max_k≤i≤k+n(x_i)-Min_k≤i≤k+n(x_i)}

其中X_i为第i个相位值，k为观察窗口，n为总数据，本方案中k＝100s。

本例TDEV时间偏差的计算公式如下，其中，其中n为采样数，Xi为第i个相位值，

本装置一共有三个工作状态，分别是，正常工作状态，检测欺骗状态和防御状态。在正常工作状态下测量模块03对GNSS接收机02，原子钟模块04的时差进行测量，数据处理机数字锁相环模块05采集测量模块的测量数据并进行时域模型建模，当出现接收机失锁并重新锁定时装置进入检测欺骗状态，原子钟模块04此时进入时钟保持状态，测量模块03继续对GNSS接收机02和原子钟模块04进行测量，数据处理机数字锁相环模块05此时对测量数据进行计算，生成待检测时域模型与失锁前的内建检测模型进行对比分析。检测内容包括时间偏差，时间漂移率，ALLAN方差，频率漂移率。

时间偏差：就是在接收机重新锁定后与测量模块对原子钟模块与GNSS接收机输出的时间进行比较当出现超过1微秒的时间偏差时即可认定检测到GNSS欺骗。

时间漂移率：考核GNSS接收机与原子钟模块的时间偏差速率，此处主要用于检测逐渐拉偏式的欺骗干扰，在一天内时间偏差大于100ns/60s即可认定为时间拉偏式欺骗。

ALLAN方差：同样考核GNSS接收机与原子钟模块的频率稳定度，当欺骗采用时间拉偏式欺骗时必然会造成ALLAN方差的恶化此处可用于作为复核时间漂移率检测方法。频率漂移率检测法与ALLAN方差检测法相同。

如图2所示，本例的北斗抗欺骗式干扰的方法主要是通过欺骗检测子程序来实现，在程序设计中，尤其要对GNSS信号突然中断后又恢复的状态进行GNSS信息有效性检测。根据功能划分GNSS欺骗检测程序的主要功能模块分为初始化检测，GNSS信息检测校验，GNSS防御及自动恢复。

其具体实现步骤包括如下步骤：

S1：启动，系统初始化，建立系统时差测量模型。

所述系统初始化完成的操作包括：系统的初始化位置测定和存储；收集接收的卫星信号的平均增益；时钟驯服；建立系统时差测量模型。以下对其详细说明。

(1)初始化位置测定和存储功能

当系统初次上电并启动GNSS欺骗检测程序后，系统默认设定设备为定点工作并通过接收机来计算定点位置或由用户手动输入定点位置。

当用户使用接收机平均位置时，根据接收机功能进行计算，其中使用UBLOX接收机的，采用接收机自带的TMOD功能进行位置保持计算，设定参数为1000秒，标准差小于1米。使用其他接收机时，如果没有TMOD功能则根据PDOP值在小于等于1.5时，收集位置根据程序实现平均功能。一般收集约半个小时时间并计算平均位置，在计算好位置后存储相应位置并将接收机位置设定为平均位置开始工作。

(2)接收机卫星信号的平均增益收集功能

在已接收的卫星中根据所有仰角大于15度的计算平均信噪比，连续15分钟每分钟采样1组数据计算平均信噪比，计算平均值并存入系统存储器。

(3)时钟驯服功能

正常时钟驯服功能和保持功能。

(4)本振稳定度评估模型的建立

在本发明装置生产过程中启动，本地振荡器(原子钟)进入有参考源的保持状态，时钟测量模块TDC对参考源和本地振荡器进行测量，此时原子钟不做老化补偿，并计算原子钟与本地振荡器的时域稳定度曲线，计算100s和1000s稳定度值并存储入系统存储器。

本例的时域稳定度计算公式为：

其中N为采样次数N＝12，τ为采样间隔测量100秒时取值100，测量1000秒时取值1000。X_i为第i次采样结果，当测量100秒稳定度时i＝0，则X_i为第0秒TDC输出相位差值，X_i+1为第100秒输出相位差值，X_i+2为第200秒输出相位差值，同理类推1000秒稳定度数据。

S2：系统初始化后，装置就处于正常锁定状态；

S4：欺骗检测子程序启动，启动校验工作，判断是否遭遇欺骗干扰，如果否，执行步骤S2，如果是，执行步骤S5。

具体地，本例当接收机出现小于1000秒的短暂不锁定，当接收机恢复正常工作状态，也就是定位授时状态后本模块启动校验工作。校验内容及顺序如下：

(1)平均功率校验

平均功率检测在触发信息检测校验时开始评估，当评估值与保存值差别绝对值大于20dbm时，发GNSS信号变动较大告警。这个检测过程是由于GNSS信号本应来自于卫星信号，在地面接收时信号的功率是非常微弱的，如果出现较强信号则可判断为收到了来自地面的欺骗信号干扰。因此，此过程能够最大可能的第一时间获取欺骗干扰，测量效率和准确度高。

(2)位置校验

程序根据状态触发启动GNSS信息检测校验后，系统设置接收机重新进入动态位置测量状态，并重新计算平均位置，当重新计算位置与保存位置(高程)差别大于50米时，则进入时间校验模块。本校验过程考虑到了单频接收机的定位精度的最大误差，由于本发明主要针对定点使用，当接收机定位计算结果出现与初始化结果存在50米左右偏差时可判断为收到了欺骗。

(3)时间准确度，频率准确度校验

当触发启动信息检测校验功能后，位置校验失败则启动时间校验功能，当初始时间偏差大于1us或时间变化率绝对值大于100ns/60s，则启动频率稳定度校验功能。

(4)频率稳定度校验

系统根据原子钟与GNSS接收机1PPS进行测量并计算时域稳定度，比如，当100s稳定度不达标时，则对1000s稳定度进行测量并计算当两个稳定度测量结果与保存结果存在一个或一个以上数量级差异时，发出GNSS遭遇欺骗干扰告警。

以上检测过程是一个从粗到细，从简入难的检测过程。当粗筛选为平均功率法，平均位置法，时间准确度法，当以上三个检测方法出现异常时已经有明确告警，用户可实现人工干预。细筛选为频率准确度，频率稳定度校验法为细校验法，此两种方法可更细致的对欺骗信号进行检测，准确率高，安全性更好。

S5：当确认GNSS遭遇欺骗干扰时，系统进入防御状态，此时，授时状态为保持状态，不输出任何位置信息，并通过通信手段发出欺骗告警，由用户人工干预。

还包括系统恢复步骤S6：人工干预进行防御时，欺骗检测子程序实时更新计算结果，如果计算结果低于阈值，系统通过通信手段发出GNSS检测正常的事件，由用户人工干预恢复系统，重新跟踪各个模块。

本发明解决的是通过时间测量方法配合时域分析方法监测并防御来自转发式GNSS干扰对授时装置的欺骗。使用本发明可有效的降低关键部门的时频设备遭遇转发式GNSS欺骗的概率，减少对GNSS欺骗造成的损失。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：启动，系统初始化，建立系统时差测量模型；

S2：装置处于正常锁定状态；

S3：判断接收机是否失锁，如果否，计算并更新系统时差测量模型，并继续锁定状态，循环执行步骤S2，如果是，执行下一步；

S4：欺骗检测子程序启动，启动校验工作，判断接收机是否遭遇欺骗干扰，如果否，执行步骤S2，如果是，执行下一步；

2.根据权利要求1所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：还包括系统恢复步骤S6：人工干预进行防御，同时，欺骗检测子程序实时更新校验值，如果低于阈值，系统发出检测正常通知，由用户人工干预，恢复系统，重新跟踪系统工作状态。

3.根据权利要求1或2所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：步骤S1中，所述系统初始化完成的操作包括：系统的初始化位置测定和存储；收集接收的卫星信号的平均增益；时钟驯服；建立系统时差测量模型。

4.根据权利要求3所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：接收机卫星信号的平均增益的收集方法为：在已接收的卫星信号中，根据所有仰角大于15度的卫星信号计算平均信噪比，连续15分钟每分钟采样1组数据计算平均信噪比，计算平均值并存入系统存储器。

5.根据权利要求3所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：所述系统时差测量模型为本振稳定度评估模型，其建立方法为：本地振荡器进入有参考源的保持状态，时钟测量模块对参考源和本地振荡器进行测量，并计算原子钟与本地振荡器的时域稳定度曲线，计算100s和1000s稳定度值并存储入系统存储器。

6.根据权利要求5所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：所述时域稳定度的计算方法为：

其中，N为采样次数，τ为采样间隔，测量100秒时取值100，测量1000秒时取值1000，X_i为第i次采样结果，i为τ的整数倍，且i＞＝0。

7.根据权利要求6所述的北斗抗欺骗式干扰的方法，其特征在于：步骤S3中，所述欺骗检测子程序的校验方法包括如下步骤：

S33：时间准确度，频率准确度校验：当初始时间偏差大于lus或时间变化率绝对值大于100ns/60s，则启动频率稳定度校验；

S34：频率稳定度校验：根据原子钟与GNSS接收机1PPS进行测量并计算时域稳定度，当第一时间间隔内稳定度不达标时，则对第二时间间隔内的稳定度进行测量，计算当两个稳定度测量结果与保存结果存在一个或一个以上数量级差异时，发出GNSS遭遇欺骗干扰告警。

8.一种实现权利要求1-7任一项所述的北斗抗欺骗式干扰的方法的GNSS授时型接收装置，其特征在于：包括GNSS天线、GNSS接收机、测量模块、原子钟模块、数据处理及数字锁相环模块和授时接口，其中，所述GNSS接收机的输入端与所述GNSS天线的输出端相连，所述GNSS接收机的输出端与原子钟模块的输出端分别与测量模块的输入端相连，所述数据处理及数字锁相环模块分别与所述GNSS接收机、原子钟模块和测量模块相连，所述授时接口与原子钟模块相连，用于时间及频率输出。

9.根据权利要求8所述的GNSS授时型接收装置，其特征在于：所述GNSS接收机包括但不限于多模单频接收机、单模单频接收机或多频多模接收机。

10.根据权利要求8所述的GNSS授时型接收装置，其特征在于：所述测量模块包括但不限于FPGA或SOC设计的时差测量模块、专用TDC测量芯片。