CN111880199B

CN111880199B - 一种用于机场终端区域的gnss诱骗干扰信号检测方法

Info

Publication number: CN111880199B
Application number: CN202010932955.6A
Authority: CN
Inventors: 樊荣; 司成可; 郭恩豪; 万晨智; 王俊宇; 杨林峰; 胡焱
Original assignee: Civil Aviation Flight University of China
Current assignee: Civil Aviation Flight University of China
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2040-09-08
Also published as: CN111880199A

Abstract

本发明公开了一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其采取“借力打力”的相对检测技术思路，实现机场终端区域GNSS干扰信号的可靠检测。一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其在机场终端区域构建一套网格化监视系统，对各监测节点输出监测定位数据进行处理，从而判定GNSS是否存在干扰源。

Description

一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法

技术领域

本发明属于机场终端区域无线电干扰源监视技术领域，具体是涉及一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)可以随时随地提供时间、位置和速度信息，能够实时地完成导航、高精度定位与授时等功能，对基于性能的导航(PBN)与广播式自动相关监视(ADS-B)等民航业务领域已得到广泛应用。然而，无论是民航PBN导航应用，还是ADS-B监视业务，其任务性能都严重依赖GNSS卫星导航信号。由于传输到接收机的GNSS信号具有极低的功率电平(例如，GPS、GLONASS导航信号到达接收机处的功率强度通常低于-135dBm，北斗导航信号到达接收机处的功率强度则更低)，所以GNSS信号极易受到地面无线电信号干扰。例如，采取功率仅为1W的干扰机就可使85公里范围内的C/A码接收机无法工作，干扰功率强度每增加6dB，有效干扰距离就增加1倍。近些年来，机场终端区域出现GNSS信号受干扰的事件在国内外时有发生，一直严重影响着航班飞行安全。例如，美国加州蒙特利港口曾因为电视机功放故障干扰了该区域的GPS导航系统正常工作长达37天。韩国中央无线电管理办公室也曾报告发生了多起由GPS干扰器影响到商业航班的GNSS信号干扰事件。新南威尔士大学研究团队在澳大利亚和意大利的研究实验也发现了多起因电视信号而干扰GNSS信号的事件。2018年，以色列特拉年夫本·古里安国际机场民用航班的GPS导航定位信号在一个月内受到多次干扰，使得进出该机场的大部分民用飞机经常接收不到GPS信号。就在2019年年初，美国新泽西州纽瓦克自由国际机场由于受到GPS干扰信号干扰，曾全天停止运作。在国内，2018年乌鲁木齐机场附近出现的GPS干扰信号导致ADS-B系统位置数据跳变，曾一度影响机场正常运行。此外，绵阳机场、双流机场、保山机场、以及某军用机场也相继报道了多起因GNSS信号源受到干扰的导航无线电干扰事件。上述各起GNSS受干扰事件虽最终均得以成功排除，但暴露出的问题十分严峻。现有的GNSS干扰源排查手段十分落后，排查效率低下。因此，面对机场终端区域导航专用频率遭受干扰的实际应用需求，提高机场终端区域的GNSS诱骗干扰源信号的分辨和检测能力，有助于保障机场终端区域导航的安全环境、提高在机场终端区域起飞和降落阶段的飞行安全、提升空中交通管理效率和机场运行效率，具有极大的实用价值。

针对机场终端区域的GNSS信号干扰问题，在工业界，一方面采取抗干扰算法提高导航设备的抗干扰能力。例如，国防科技大学欧钢等人公开了一种用于GNSS接收机的授权信号和公开信号联合抗欺骗方法(专利号：

CN201710820572.8)，针对公开服务的导航信号面临较大欺骗干扰的问题和现有的抗欺骗方法只能对特定欺骗干扰产生效果的局限，提出了一种用于GNSS接收机的授权信号和公开信号联合抗欺骗方法，该方法可以有效提高授权接收机中的抗欺骗性能，降低被欺骗的可能性。

另一方面，通过新技术及时监测到GNSS干扰源。较为代表性的工作有McDowell(2007)等人采用多个GNSS天线，通过监测不同天线之间的相位差监测GNSS干扰源的伪随机码，结合数字空域置零技术研制出GPS转发式欺骗排查系统已取得美国专利(专利号：USPatent7250903B1)。针对便携式民用GPS干扰源，Montgomery(2011)等人利用多天线GNSS接收机进行自主干扰源监测试验，并取得实用效果。Nielsen等人针对GNSS固定干扰源，通过采集不同位置处的伪随机码进行逐次配对等相关处理，实现GNSS干扰源的监测。Psiaki(2014)等人采用快速震荡GNSS接收机天线并提取天线震荡时的信号相位特征，实现干扰源监测。在国内，北京航空航天大学郎荣玲(2018)等人从信号驱动的角度对GNSS干扰源监测进行了深入研究，采用机器学习技术提出了稳健的GNSS干扰源监测方法。对于GPSL1波段的C/A信号和高斯类型的干扰信号取得很好的监测效果。

然而，需指出的是：无论采取上述哪种技术途径，均存在两个共性的局限。第一，各种方法所采取的新技术，其使用的设备都比较复杂且实现难度大；第二，GNSS信号干扰源监测性能不稳健，在解决虚警概率和漏检概率方面不能很好地折中。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其采取“借力打力”的相对检测技术思路，实现机场终端区域GNSS干扰信号的可靠检测。本发明通过为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，具体实施流程包括以下步骤：

步骤a，在机场终端区域外围部署N个网格化监测台站{台站1,台站2,...,台站N}，并将各台站通过有线(或无线)传输方式组网，以各监测台站中任意一个台站作为中心台站，将中心台站设为直角坐标系的参考原点，确定地球参考坐标系(例如：1980西安坐标系、BJ-54坐标系、cgcs2000坐标系等)；

步骤b，根据步骤a中所选择的地球参考坐标系初始化地球椭球模型参数和系统参数，具体包括：地球长半轴a、地球短半轴b、地球扁率f、第一偏心率e₁、第2偏心率e₂、地球曲率半径c、以及C₀、C₁、C₂和C₃)；根据机场终端区域地理位置确定机场区域所处的3°或6°带的带号，依照L₀＝3n′,n′为3°带带号或L₀＝6n-3,n为6°带带号，确定轴子午线经度L₀；设置各监测站点报告位置信息的最小时间间隔V；设置台站监测分散指数阈值DI_TH；设置中心站数据批处理窗口宽度T；设置干扰判决门限J_TH；

步骤c，收集各台站监测的定位数据：各监测站点将自身位置信息通过有线或无线方式传输至中心台站；各个监测台站上传数据报文信息，包括{台站编号、经度值、纬度值}；

步骤d，确定中心台站的直角坐标：根据步骤c得到中心台站上报的经、纬度值并通过选定的地球椭球模型计算在高斯投影平面上的横、纵直角坐标值。

步骤e，确定中心台站的直角坐标集：对中心台站反复重启L次，重复执行步骤c～步骤d，根据{第1次重启、经度值、纬度值}，{第2次重启、经度值、纬度值}，…，{第L次重启、经度值、纬度值}；确定所有重启后上报的直角坐标，并形成直角坐标集：{第1次重启、横坐标值、纵坐标值}，{第2次重启、横坐标值、纵坐标值}，…，{第L次重启、横坐标值、纵坐标值}。

步骤f，确定中心台站的标称坐标：

步骤f₁，确定中心台站的绝对分散度指数，利用中心台站的直角坐标集确定中心台站的分散度指数，其分散度指数求取方式如下：

中心台站分散度指数＝中心台站直角坐标集中横坐标方差/中心台站直角坐标集中横坐标均值+中心台站直角坐标集中纵坐标方差/中心台站直角坐标集中纵坐标均值；将中心台站分散度指数取绝对值后得到的结果作为中心台站的分散度指数。

步骤f₂，确定中心台站的标称直角坐标：若中心台站的绝对分散度指数不超过分散度指数门限，则将中心台站直角坐标集的横、纵直角坐标分别求平均值后作为中心台站的横、纵坐标称直角坐标；否则，跳转至步骤c，重新计算中心台站的标称直角坐标；

步骤g，确定所有台站的标称直角坐标：采取与步骤d～步骤f相同的流程确定所有台站的标称直角坐标；

步骤h，确定所有台站的相对直角坐标：根据步骤g确定的标称直角坐标与中心台站的标称直角坐标之差作为各台站的相对直角坐标；

步骤i，机场终端区域GNSS干扰信号检测：

所述步骤i的具体方法为：

步骤i₁，收集各台站监测定位数据：各监测站点按照步骤b中设定的时间间隔将自身位置信息通过TCP/IP协议方式传输至中心台站；各监测台站上传的数据报文信息包括时间戳、台站编号、经度值、纬度值。为不失一般性，本发明按行给出各监测台站的数据排列方式如下：

步骤i₂，求取当前时刻各台站的直角坐标：按照与步骤d相同的方式计算步骤i₁中各台站经纬度值所对应的直角坐标值；

步骤i₃，求取当前时刻各台站的相对直角坐标：按照与步骤h相同的方式求得各台站当前时刻的相对直角坐标；

步骤j，机场终端区域当前时刻干扰信号检测：

步骤j₁，1号台站干扰显著性检测：对步骤i₃中1号台站的相对直角坐标横轴值的方差和相对直角坐标纵轴值的方差之和除以时间窗宽W，将其结果作为1号台站干扰显著性指示；

步骤j₂，所有台站干扰显著性检测：采取与步骤j₁完全相同的方法，确定所有台站干扰显著性指示；

步骤j₃，机场终端区域当前时刻干扰信号检测：将步骤j2中求取的所有干扰性检测指示结果进行算数平均处理后的所得结果作为机场终端区域当前时刻干扰信号检测指示。若大于干扰门限值J_TH，则指示存在干扰，否则，指示无干扰。

步骤k.机场终端区域所有时刻干扰信号检测：重复执行步骤i～步骤j，完成机场终端区域所有时刻的干扰信号检测。

本发明的有益效果为，通过在机场终端区域部署多个监视站点形成网格化监视网络，根据各监视节点上报的实施结算位置信息进行处理，通过各个监视节点的干扰状态间接确定出整个机场终端区域是否存在GNSS干扰信号，从而达到可靠监测GNSS干扰信号的目的。在保证干扰源监测概率的同时，降低干扰源监测的虚警概率，提高干扰源监测系统的可靠性。

附图说明

图1为大地经纬度坐标系到椭球平面横坐标的高斯投影运行流程图；

图2为大地经纬度坐标系到椭球平面纵坐标的高斯投影运行流程图；

图3是实施例中GNSS干扰源监测网络部署示意图；

图4(a)是实施例1中1号台站存在GNSS信号干扰的位置跳变效果图；图4(b)是实施例1中2号台站存在GNSS信号干扰的位置跳变效果图；

图5(a)是实施例中3号台站存在GNSS信号干扰的位置跳变效果图；图5(b)是实施例1中4号台站存在GNSS信号干扰的位置跳变效果图；

图6(a)是实施例中1号台站监测的GNSS信号干扰显著性检测效果图；图6(b)是实施例中2号台站监测的GNSS信号干扰显著性检测效果图。

图7(a)是实施例中3号台站监测的GNSS信号干扰显著性检测效果图；图7(b)是实施例1中4号台站监测的GNSS信号干扰显著性检测效果图；

图8是实施例中机场终端区域监测的GNSS信号干扰显著性检测检效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例以附图3中的GNSS干扰源监测网络部署示意图为例，在某机场终端区域部署4个监视台站、通过TCP/IP协议组成分布式监视网络，在2019年11月中旬进行了干扰源检测试验，利用实测数据验证演示了本发明方法的实际检测效果。

一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其具体步骤如下：

a.在机场终端区域外围部署4个网格化监测台站{台站1，台站2，台站3，台站4}，并将各台站通过有线(TCP/IP协议)传输方式组网；确定任一台站作为中心台站，中心台站设为直角坐标系的参考原点、选取地球参考坐标系为BJ-54坐标系；

b.根据步骤a中所选择的BJ-54地球参考坐标系初始化地球椭球模型参数和系统参数。具体包括：地球长半轴a＝6378137、地球短半轴b＝6356752.31424066、地球扁率f＝1：298.257223563、第一偏心率e₁＝0.00669437999013、第2偏心率e₂＝0.00673949674227、地球曲率半径c＝6399593.62601、以及C₀＝6367558.49686、C₁＝32005.79642、C₂＝133.86115和C₃＝0.7031)；根据机场终端区域地理位置确定轴子午线经度L₀＝105°；设置各监测站点报告位置信息的最小时间间隔V＝1秒；设置台站监测分散指数阈值DI_TH＝0.001；设置中心台站数据批处理窗口宽度T＝5；设置干扰判决门限J_TH＝0.01；

c.收集各台站监测定位数据：各监测站点将自身位置信息通过有线(或无线)方式传输至中心台站；各个监测台站上传数据报文信息，包括{台站1,104.308219°,30.953975°}、{台站2,104.342215°,30.940870°}、{台站3,104.337748°,30.949719°}、{台站4,104.321745°,30.957151°}；

d.确定中心台站的直角坐标：根据步骤c得到中心台站上报的经、纬度值通过选定的BJ-54地球参考模型计算在高斯投影平面上的横、纵直角坐标值。大地经纬度坐标系到椭球平面横坐标的高斯投影运行流程如图1所示；大地经纬度坐标系到椭球平面纵坐标的高斯投影运行流程如图2所示。

图1与图2中，参数l代表台站上报的纬度值与轴子午线经度L₀＝105°之差；参数t代表通过对台站上报的经度值的正切变换结果；参数η²等于地球椭球模型第二偏心率乘以cos²B₁(l)的结果；参数λ等于地球长半轴的平方除以地球短半轴后所得的商再除以

得到的结果；转换后的直角坐标分别为：{台站1，3426130.74，-66105328.05}；

e.确定中心台站的直角坐标集：对中心台站反复重启5次，重复执行步骤c～步骤d，根据{第1次重启、104.308219°、30.953975°}，{第2次重启、104.308215°、30.953965°}，…，{第5次重启、104.308212°、30.953967°}、确定所有5次重启后上报的直角坐标集：{第1次重启、3426130.74、-66105.33}，{第2次重启、3426144.36、-66098.03}，…，{第5次重启、3426140.05、-66098.37}。

f.确定中心台站的标称坐标：

f₁:确定中心台站的绝对分散度指数：利用中心台站的直角坐标集确定中心台站的分散度指数，分散度指数求取方式如下：

中心台站的分散度指数

＝Var(3426130.74,3426144.36,3426139.55,3426137.22,3426140.05)/mean(3426130.74,3426144.36,3426139.55,3426137.22,3426140.05)+Var(-66105.33,-66098.03,-66099.27,-66099.66,-66098.37)/mean(-66105.33,-66098.03,-66099.27,-66099.66,-66098.37)＝1.2699×10^-4

取绝对值后得到的结果为1.2699×10^-4，将其作为中心台站的分散度指数。

f₂:确定中心台站的标称直角坐标：由于中心台站的绝对分散度指数未超过分散度指数门限0.001，则将中心台站直角坐标集的横、纵直角坐标分别平均后将所得值{3426138.39,-66100.13}作为中心台站的横、纵标称直角坐标；

g.确定所有台站的标称直角坐标：采取与步骤d～步骤f相同的流程确定台站2的标称直角坐标为{3426535.43，-64217.21}，台站3的标称直角坐标为{3426016.67,-63759.66},{3424658.74,-62863.13}；

h.确定所有台站的相对直角坐标：根据步骤g确定的标称直角坐标与中心台站的标称直角坐标之差作为各台站的相对直角坐标。台站1相对直角坐标为{0，0}、台站2相对直角坐标为{397.05,1882.92}、台站3相对直角坐标为{-121.72,2340.47}、台站4相对直角坐标为{-1479.64,3237.00}；

i.机场终端区域GNSS干扰信号检测：

所述步骤i的具体方法为：

i₁:收集各台站监测数据：各监测站点按照步骤b中设定的1秒时间间隔将自身位置信息通过TCP/IP协议方式传输至中心台站，各个监测台站上传的数据报文信息包括时间戳、台站编号、经度值、纬度值。为不失一般性，本发明按行给出各监测台站的数据排列方式如下：

i₂:求取当前时刻各台站的直角坐标：按照步骤d的相同方式计算步骤i₁中各台站经纬度值所对应的直角坐标值；

/>

i₃:求取当前时刻各台站的相对直角坐标：按照步骤h相同方式求得各台站当前时刻的相对直角坐标；

/>

j.机场终端区域当前时刻干扰信号检测：

j₁:1号台站干扰显著性检测：对步骤i₃中1号台站的相对直角坐标横轴值的方差和相对直角坐标纵轴值的方差之和除以时间窗宽W＝5，将其结果作为1号台站干扰显著性指示；

j₂:所有台站干扰显著性检测：采取步骤j₁完全相同的步骤，确定所有台站干扰显著性指示；

j₃:机场终端区域当前时刻干扰信号检测：将步骤j₂中求取的所有干扰性检测指示结果进行算数平均处理后所得的结果作为机场终端区域当前时刻干扰信号检测指示。若大于干扰门限值J_TH＝0.01，则指示存在干扰，否则，指示无干扰。

k.机场终端区域所有时刻干扰信号检测：重复执行步骤i～步骤j，完成机场终端区域所有时刻干扰信号检测。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其特征在于，在机场终端区域构建一套网格化监视系统，对各监测节点输出监测定位数据进行处理，从而判定GNSS是否存在干扰源；

在机场终端区域构建一套网格化监视系统包括以下过程：

步骤A1：在机场终端区域外围部署N个网格化监测台站{台站1,台站2,...,台站N}，并将各台站通过有线或无线传输方式组网，以各监测台站中任意一个台站作为中心监测台站，将中心监测台站设为直角坐标系的参考原点，确定地球参考坐标系；

步骤A2，根据步骤A1中所选择的地球参考坐标系初始化地球椭球模型参数和系统参数；

步骤A3：收集各台站监测的定位数据；

步骤A4：确定中心监测台站的直角坐标；

步骤A5：确定中心监测台站的直角坐标集；

步骤A6：确定中心监测台站的标称坐标；

步骤A7：确定所有监测台站的标称直角坐标和相对直角坐标；

判定GNSS是否存在干扰源包括以下过程：

过程C1：所有监测台站干扰显著性检测；每个监测台站的相对直角坐标横轴值的方差和相对直角坐标纵轴值的方差之和除以时间窗宽W，将其结果作为该监测台站干扰显著性指示；

过程C2：机场终端区域当前时刻干扰信号检测；将步骤C1中求取的所有干扰性检测指示结果进行算数平均处理后的所得结果作为机场终端区域当前时刻干扰信号检测指示，若大于干扰门限值J_TH，则指示存在干扰，否则，指示无干扰；

过程C3：机场终端区域所有时刻干扰信号检测：按照过程C1和过程C2的方法对所有时刻的干扰信号进行检测；

步骤A3，收集各台站监测的定位数据是指各监测站点将自身位置信息通过有线或无线方式传输至中心监测台站；各个监测台站上传数据报文信息，包括{台站编号、经度值、纬度值}；

步骤A4中，确定中心监测台站的直角坐标是指根据步骤A3得到中心监测台站上报的经、纬度值并通过选定的地球椭球模型计算在高斯投影平面上的横、纵直角坐标值；

步骤A5中，确定中心监测台站的直角坐标集是指对中心监测台站反复重启L次，重复执行步骤A3～步骤A4，根据{第1次重启、经度值、纬度值}，{第2次重启、经度值、纬度值}，…，{第L次重启、经度值、纬度值}；确定所有重启后上报的直角坐标，并形成直角坐标集：{第1次重启、横坐标值、纵坐标值}，{第2次重启、横坐标值、纵坐标值}，…，{第L次重启、横坐标值、纵坐标值}；

步骤A6中，确定中心监测台站的标称坐标，包括以下过程：

确定中心监测台站的绝对分散度指数，利用中心监测台站的直角坐标集确定中心监测台站的分散度指数，其分散度指数求取方式如下：

中心监测台站分散度指数＝中心监测台站直角坐标集中横坐标方差/中心监测台站直角坐标集中横坐标均值+中心监测台站直角坐标集中纵坐标方差/中心监测台站直角坐标集中纵坐标均值；将中心监测台站分散度指数取绝对值后得到的结果作为中心监测台站的分散度指数；

确定中心监测台站的标称直角坐标，若中心监测台站的绝对分散度指数不超过分散度指数门限，则将中心监测台站直角坐标集的横、纵直角坐标分别求平均值后作为中心监测台站的横、纵坐标称直角坐标；否则，跳转至步骤A3，重新计算中心监测台站的标称直角坐标；

步骤A7中，确定所有台站的标称直角坐标是指采取与上述计算中心监测台站标称直角坐标相同的方法确定所有台站的标称直角坐标；

步骤A7中，确定所有台站的相对直角坐标是指根据上述步骤A7中确定的非中心监测台站标称直角坐标与步骤A中所述的中心监测台站的标称直角坐标之差作为各台站的相对直角坐标。

2.根据权利要求1所述的一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其特征在于，对各监测节点输出监测数据进行处理包括以下过程：

步骤B1：收集各台站监测定位数据；

步骤B2：求取当前时刻各台站的直角坐标和当前时刻各台站的相对直角坐标。

3.根据权利要求1所述的一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其特在于，

步骤A2中，所述的地球参考坐标系初始化地球椭球模型参数包括：地球长半轴a、地球短半轴b、地球扁率f、第一偏心率e₁、第2偏心率e₂、地球曲率半径c、地球曲率半径C₀、地球曲率半径C₁、地球曲率半径C₂和地球曲率半径C₃；根据机场终端区域地理位置确定机场区域所处的3°或6°带的带号，依照L₀＝3n′,n′为3°带带号或L₀＝6n-3,n为6°带带号，确定轴子午线经度L₀；

步骤A2中，所述的系统参数包括各监测站点报告位置信息的最小时间间隔V；设置台站监测分散指数阈值DI_TH；设置中心站数据批处理窗口宽度T；设置干扰判决门限J_TH。

4.根据权利要求1所述的一种用于机场终端区域的GNSS诱骗干扰信号检测方法，其特在于：上述步骤B1中，收集各台站监测定位数据，是指各监测站点按照步骤A2中设定的时间间隔将自身位置信息通过TCP/IP协议方式传输至中心台站；各监测台站上传的数据报文信息包括时间戳、台站编号、经度值、纬度值；

上述步骤B2中，求取当前时刻各台站的直角坐标是指按照与上述步骤A4的方式计算步骤B1中各台站经纬度值所对应的直角坐标值；

上述步骤B2中，求取当前时刻各台站的相对直角坐标，是指按照与上述步骤A7中的方式求得各台站当前时刻的相对直角坐标。