CN111435166A - 恢复导航系统的导航性能 - Google Patents

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CN111435166A CN202010021378.5A CN202010021378A CN111435166A CN 111435166 A CN111435166 A CN 111435166A CN 202010021378 A CN202010021378 A CN 202010021378A CN 111435166 A CN111435166 A CN 111435166A
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Abstract

一种恢复导航系统的导航性能的方法，该方法包括：由第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合以建立飞行器的实时导航路线；比较导航性能值和/或漂移范围；和基于数据点的集合建立新的导航路线。

Description

恢复导航系统的导航性能
技术领域
本公开涉及一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的移动运载器的导航性能的方法，并且更具体地，涉及建立新的导航路线的方法。
背景技术
通常，基于卫星的通信和导航系统为航海，航空，机车和汽车船提供位置和时间信息。卫星通信和导航系统可以出现在地球上或附近的任何地方，其中船只与一颗或多颗卫星之间的视线不受影响。卫星通信和导航系统在陆地，海上和空中具有多种应用。
飞行器依靠卫星通信以用于导航和信息(例如，天气)系统。在向飞行器发送信号时发生欺骗，以故意向飞行器的导航和信息系统提供错误信息。例如，欺骗的卫星导航信号可能会试图使飞行器飞离航线。检测何时发生欺骗并在欺骗攻击情况下保持导航功能有助于规避错误信息。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
在一个方面，本公开涉及一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的移动运载器的导航性能的方法，该方法包括：由分别位于运载器内的第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合，以建立移动运载器的实时导航路线；确定计划的导航路线和实时导航路线之间的漂移范围；当漂移范围大于预定误差范围时，禁用第一导航系统；基于数据点的集合确定最后的已知位置；基于最后的已知位置，使用第二导航系统建立新的导航路线。
在另一方面，本公开涉及一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的飞行器的导航性能的方法，该方法包括：由第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合，以建立飞行器的实时导航路线；确定与实时导航路线相关联的实际导航性能值；将实际导航性能值与所需导航性能值进行比较；当实际导航性能值在所需导航性能值的期望百分比误差之外时，基于数据点的集合确定最后的已知位置；基于最后的已知位置建立新的导航路线。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1是飞行中的飞行器的示意图，该飞行器具有包括第一导航系统和第二导航系统的多个导航系统。
图2是从第一导航系统和第二导航系统接收的与来自图1的飞行器的示例性移动相关联的数据点的集合的图示说明。
图3是图1的飞行器的导航路线的集合的图示说明。
图4是根据本文公开的一个方面的用于恢复导航系统的导航性能的方法的流程图。
图5是根据本文公开的另一方面的用于恢复导航系统的导航性能的方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及用于在已经欺骗了导航系统的情况下恢复导航性能的方法。本文所描述的方法涉及确定第一导航系统与第二导航系统之间的漂移范围。出于本文所述的示例性目的，第一导航系统是全球导航卫星系统(GNSS)，第二导航系统是惯性导航系统(INS)。尽管该描述主要针对在飞行器上的使用，但是它也适用于将利用可能遭受欺骗攻击的导航系统的任何运载器或环境，包括在陆地上或海上。
图1示出了在绕地球12的轨道中的卫星10。卫星10发射卫星信号14。卫星10可以是任何类型的卫星，包括但不限于对地静止卫星，伽利略卫星，COMPASS MEO卫星，GPS卫星，GLONASS卫星，NAVIC卫星，QZSS卫星或北斗2卫星。移动运载器被示为飞行中的飞行器16。飞行器16可以包括接收器，作为非限制性示例，该接收器是无线电天线18，用于从卫星10接收卫星信号14。位于地球12上的欺骗信号源20可以发射欺骗卫星信号22。尽管被示为位于地球12上，但是可以想到，欺骗信号源20可以位于其他地方，包括但不限于轨道中的另一颗卫星。此外，尽管示出了飞行器16，但作为非限制性示例，移动运载器可以是陆地运载器16a或海船16b。
飞行器16可以包括用于容纳航空电子或航空电子部件(作为非限制性示例，包括用于飞行器16的操作的机载计算机26)的机载电子机箱24。电子机箱24可以容纳各种航空电子元件，并保护它们免受污染物，电磁干扰(EMI)，无线电频率干扰(RFI)，振动等。替代地或附加地，电子机箱24可以具有安装在其上的各种航空电子。将理解的是，电子机箱24可以位于飞行器16内的任何地方，而不仅如图所示的机头。
飞行器16可以进一步包括多个导航系统，包括至少第一导航系统30和第二导航系统32。尽管示出为接近或靠近电子机箱24，但是应当理解，导航系统30、32可以位于飞行器上的任何地方，包括在电子机箱内。第一导航系统30可以是卫星导航系统，作为非限制性示例，全球导航卫星系统(GNSS)。示例性卫星导航系统包括但不限于美国的全球定位系统(GPS)，俄罗斯的GLONASS，中国的北斗导航卫星系统(BDS)和欧洲的伽利略(计划于2020年全面投入运行)。第二导航系统32可以是基于行进期间的数据收集的机载导航系统，作为非限制性示例，惯性导航系统(INS)。INS可以利用计算机，运动传感器(例如加速计)，旋转传感器(例如陀螺仪)和磁性传感器(例如磁力计)来连续地使用航位推算(dead reckoning)(通过使用先前确定的位置来计算当前位置的处理)计算移动运载器的位置，取向和速度。
图2图示了与飞行器16的示例性移动相关联的数据点34的集合，该数据点34的集合从第一导航系统30和第二导航系统32接收并存储在数据库36中，作为非限制性示例，该数据库36位于电子机箱24中。数据点34的集合可以包括已知的初始数据点34a(作为非限制性示例，飞行器16从其出发的机场)，由第一导航系统收集的GPS数据点34g，以及由第二导航系统基于已知的初始数据点34a计算的计算数据点34c。与计算数据点34c相关联的数据包括矢量数据40(位置和速度)。
计划的导航路线44可以被存储为计划数据点34p，其代表飞行器16应该行进以到达预定目的地46的路线。虽然并排示出，但是当飞行器16沿着计划的导航路线44行进时，由于侧风等，在一些可接受的误差范围内，计划数据点34p，GPS数据点34g和计算数据点34c可以重叠。实时导航路线48可以是飞行器16行进的实际路径。漂移范围50可以与代表计划的导航路线44的计划数据点34p和代表实时导航路线48的计算数据点34c之间的差相关联。预定误差范围52还可以与计划的导航路线44和实时导航路线48之间的差相关联，并且可以是设定或可变值，其中，当漂移范围50变得大于预定误差范围52时，第一导航系统30被禁用，以便将实时导航路线48与计划的导航路线44进行比较。最后的已知位置54是实时导航路线48开始偏离计划的导航路线44的点。最后的已知位置54是真实位置，在该真实位置处，由第一导航系统30记录的GPS数据点38g与由第二导航系统32记录的计算数据点34c相匹配。
在第一导航系统30成为欺骗导航系统30s的欺骗事件56中，飞行器16可以开始偏离计划的导航路线44。当这发生时，通过建立新的导航路线58来恢复导航性能对于飞行器16的安全目的地到达变得必要。
转到图3，示出了导航路线的集合，包括计划的导航路线44，实时导航路线48和新的导航路线58。为了建立新的导航路线58，可以在整个飞行中将误差累积率(EAR)60存储在数据库36中。EAR 60是基于由第二导航系统32的运动传感器收集的数据，并提供用于精确建立新的导航路线58的数值数据。也可以基于数据点34的集合和预测建模来计算未来的EAR 60f。
此外，为了建立新的导航路线58，可以考虑由虚线62表示的所需导航性能(RNP)值。RNP值是指特定过程(作为非限制性示例，着陆飞行器16)或特定空域(作为非限制性示例，在城市上方)所需的性能水平。RNP值为10表示导航系统必须能够将其位置计算到具有10海里横向尺寸的正方形内。RNP值为0.3表示飞行器导航系统必须能够将其位置计算到具有3/10海里横向尺寸的正方形内。RNP值的范围是机载导航系统冗余度的函数，较小的RNP值与更精确的飞行路径以及飞行器16可以遵循飞行路径的精度相关联。
由飞行器16沿着其实际行进的任何线64表示的实际导航性能(ANP)值是指导航系统的当前性能。当第一导航系统30成为欺骗导航系统30s时，随着实时导航路线48偏离计划的导航路线44，ANP值可能会增加并继续增加。在建立新的导航路线58时，计算机可以连续地监测RNP值并将其与ANP值进行比较，直到两个值在期望值之内，例如彼此的百分比误差内，以用于安全到达。基于移动运载器(在该情况下，飞行器16)以及影响建立新的导航路线58的因素，确定RNP值是否需要在百分比误差内或小于ANP值。作为非限制性示例，因素可以包括陆地地形，空域交通，天气状况等。
在不能及时建立最后的已知位置54以确定期望百分比误差(作为非限制性示例，3％)内的RNP和ANP值的情况下，可以建立绕行导航路线66。还可以设想，当ANP值大于RNP值时，建立绕行导航路线66。绕行导航路线66可以终止于到达与预定目的地46不同的目的地68。替代地，绕行导航路线66可以简单地提供新的导航路线58的替代，其确保用于确定最后的已知位置54的时间以便建立相等的RNP和ANP值。
在无法确定绕行导航路线66的情况下，可以将警报70发送到用户接口72，作为非限制性示例，该用户接口72位于驾驶舱74中并且可由飞行器16的飞行员访问，其中，指令76切换到手动进近。在本文公开的一个方面中，确定最后的已知位置54可以至少部分地通过使用导航辅助80，星星(star)跟踪82或地形匹配84中的至少一个来完成。这些可以作为导航辅助数据81，星星跟踪数据83或地形匹配数据85存储在已经安装在数据库36内的数据点34的集合中，或者可以同样手动输入。通过将数据点34的集合中的计算数据点34c与导航辅助数据81，星星跟踪数据83或地形匹配数据85中的至少一个进行比较，可以确定最后的已知位置54。
图4是用于针对欺骗导航系统30s恢复导航性能的方法100的流程图。在非限制性示例中，方法100可以由机载计算机26执行。方法100包括在102处由第一导航系统和第二导航系统接收数据点34的集合以建立实时导航路线48。在104处，通过确定计划的导航路线44和实时导航路线48之间的漂移范围50来确定实时导航路线48的准确性。在106处，如果漂移范围50大于预定误差范围52，则方法100包括禁用第一导航系统30。在108处，可以基于EAR60和数据点34的集合确定最后的已知位置54。在110处，可以建立基于最后的已知位置54的新的导航路线58。换句话说，由GPS数据点34g表明的位置中的任何差异都应在计算数据点34c的可接受范围内。在正常状态下，这两组数据点34g，34c应该彼此靠近，然而当发生欺骗时(在发生欺骗的情况下第一导航系统将被禁用)，它们将超过误差范围(预定误差范围52)。
图5是用于针对欺骗导航系统30s恢复导航性能的方法200的流程图。在非限制性示例中，方法200可以由机载计算机26执行。方法200包括在202处由第一导航系统30和第二导航系统32接收数据点34的集合以建立实时导航路线48。在204处，ANP值64与实时导航路线48相关联。在206处，通过将ANP值64与RNP值进行比较来确定实时导航路线48的准确性。如本文所述，在208处，当ANP值64在RNP值的期望百分比误差之外时，可以基于数据点34的集合确定最后的已知位置54。在210处，可以建立基于最后的已知位置54的新的导航路线58。
应该理解的是，本文描述的方法可以以任何方式组合，以基于最后的已知位置建立新的导航路线。
与响应于欺骗信号恢复具有导航系统的飞行器的导航性能的方法相关联的益处使得能够利用与作为非限制性示例的INS相关联的现有传感器，以建立新的导航路线。此外，可以向飞行员发出可能的欺骗警报，并手动输入数据以恢复导航性能。允许飞行员访问有关可能的欺骗的信息，可以提高飞行器以及机上乘客的安全性。此外，着陆过程期间错过进近的减少可以是飞行员知情的结果。在欺骗攻击的情况下，与空中交通管制进行的知情通信可以更快地使飞行员和空中交通管制工作人员彼此通信，并识别和修复由于试图的欺骗袭击而可能发生的任何导航误差。
此外，本文公开的方法可以利用任何飞行器，卫星或地球上提供的结构上的现有部件来实施和执行。因此，实施该方法的成本低于用加密签名传输代替现有的GNSS基础设施，在加密签名传输中，每个信号都植入了数字签名。正确的信号加密认证要求在全球范围内更改硬件和软件。修改轨道中现有的卫星是困难的。当需要改进欺骗检测时，本文的公开能够实现“向后兼容”的接收机更新。
在尚未描述的程度上，各个实施例的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。在所有实施例中未示出的一个特征并不意味着解释其不能有，而是为了描述的简洁。因此，不管是否明确地描述了新的实施例，不同实施例的各种特征可以根据需要被混合和匹配以形成新的实施例。本文所描述的特征的所有组合或置换都被本公开覆盖。
该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的各方面的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本发明的进一步方面由以下条款的主题提供：
1.一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的移动运载器的导航性能的方法，该方法包括：由分别位于运载器内的第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合，以建立移动运载器的实时导航路线；确定计划的导航路线和实时导航路线之间的漂移范围；当漂移范围大于预定误差范围时，禁用第一导航系统；基于数据点的集合确定最后的已知位置；基于最后的已知位置，使用第二导航系统建立新的导航路线。
2.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括基于数据点的集合来确定实际导航性能值。
3.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括通过将实际导航性能值与所需导航性能值进行比较来确定实时导航路线的准确性，以确定实际导航性能值是否在所需导航性能值的期望百分比误差内。
4.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括基于未来的误差累积率连续地重新校准第二导航系统，直到所需导航性能值在实际导航性能值的期望百分比误差内。
5.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括使用导航辅助数据，星星跟踪数据或地形匹配数据中的至少一个来确定最后的已知位置。
6.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括将导航辅助数据，星星跟踪数据或地形匹配数据中的至少一个与数据点的集合进行比较。
7.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括确定是否可以针对目的地到达及时建立最后的已知位置的准确确定。
8.根据前述条项中任一项所述的方法，其中当不能针对目的地到达及时确定最后的已知位置时，建立绕行导航路线以提供确定最后的已知位置所需的时间。
9.根据前述条项中任一项所述的方法，其中当不能确定绕行导航路线时，向用户接口发送警报以切换到手动进近。
10.根据前述条项中任一项所述的方法，其中第一导航系统是全球导航卫星系统(GNSS)，并且第二导航系统是惯性导航系统(INS)。
11.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括基于数据点的集合来计算第二导航系统的误差累积率。
12.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括基于误差累积率来重新校准第二导航系统。
13.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括在目的地到达之前预测未来的误差累积率。
14.一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的飞行器的导航性能的方法，该方法包括：由第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合，以建立飞行器的实时导航路线；确定与实时导航路线相关联的实际导航性能值；将实际导航性能值与所需导航性能值进行比较；当实际导航性能值在所需导航性能值的期望百分比误差之外时，基于数据点的集合确定最后的已知位置；基于最后的已知位置建立新的导航路线。
15.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括通过确定计划的导航路线与实时导航路线之间的漂移范围来确定实时导航路线的准确性。
16.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括当漂移范围大于预定漂移范围时，禁用第一导航系统。
17.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括当实际导航性能值大于所需导航性能值时，确定最后的已知位置。
18.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括重新校准第二导航系统，直到所需导航性能值在实际导航性能值的期望百分比误差内。
19.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括使用导航辅助数据，星星跟踪数据或地形匹配数据中的至少一个来确定飞行器的最后的已知位置。
20.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括将导航辅助数据，星星跟踪数据或地形匹配数据中的至少一个与数据点的集合进行比较。
21.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括确定是否能够针对目的地到达及时建立飞行器的最后的已知位置的准确确定。
22.根据前述条项中任一项所述的方法，其中在无法针对目的地到达及时确定飞行器的最后的已知位置的情况下，建立绕行导航路线以提供确定最后的已知位置所需的时间。
23.根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括在目的地到达之前预测未来的误差累积率。
24.根据前述条项中任一项所述的方法，其中在无法确定绕行导航路线的情况下，使用指令向用户接口发送警报，以切换到手动进近。
25.根据前述条项中任一项所述的方法，其中第一导航系统是全球导航卫星系统(GNSS)，并且第二导航系统是惯性导航系统(INS)。

Claims (10)

1.一种响应于欺骗信号恢复具有导航系统的移动运载器的导航性能的方法，其特征在于，所述方法包括：
由分别位于所述运载器内的第一导航系统和第二导航系统接收数据点的集合，以建立所述移动运载器的实时导航路线；
确定计划的导航路线和所述实时导航路线之间的漂移范围；
当所述漂移范围大于预定误差范围时，禁用所述第一导航系统；
基于所述数据点的集合确定最后的已知位置；和
基于所述最后的已知位置，使用所述第二导航系统建立新的导航路线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述数据点的集合来确定实际导航性能值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括通过将所述实际导航性能值与所需导航性能值进行比较来确定所述实时导航路线的准确性，以确定所述实际导航性能值是否在所述所需导航性能值的期望百分比误差内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括基于未来的误差累积率连续地重新校准所述第二导航系统，直到所述所需导航性能值在所述实际导航性能值的所述期望百分比误差内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括使用导航辅助数据，星星跟踪数据或地形匹配数据中的至少一个来确定所述最后的已知位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述导航辅助数据，所述星星跟踪数据或所述地形匹配数据中的至少一个与所述数据点的集合进行比较。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括确定是否可以针对目的地到达及时建立所述最后的已知位置的准确确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中当不能针对目的地到达及时确定所述最后的已知位置时，建立绕行导航路线以提供确定所述最后的已知位置所需的时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中当不能确定所述绕行导航路线时，向用户接口发送警报以切换到手动进近。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述第一导航系统是全球导航卫星系统(GNSS)，并且所述第二导航系统是惯性导航系统(INS)。
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