CN112219136A - 用于确定接收装置的位置的可靠方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定接收装置(10)的位置的方法，其中，借助接收装置(10)接收GNSS信号(5、6、7、8、9)，该GNSS信号相应于由全球卫星导航系统的卫星(1、2、3、4)所发送的信号而形成，其中，确定GNSS信号(5、6、7、8、9)的代码数据和相位信息，并在代码数据和相位信息之间进行可信度测试，以识别GNSS信号(5、6、7、8、9)是否是篡改信号(5)。

Description

用于确定接收装置的位置的可靠方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定车辆的位置的方法以及一种相应控制装置。
背景技术
通常已知借助全球导航卫星系统(GNSS)的GNSS信号确定一车辆位置。在此，例如基于由卫星在L波段中的至少两个频率上发送的代码数据和/或相位数据，通过测量伪路径(Pseudostrecken)测定三维笛卡尔坐标。在可供使用的信号中，对调制到载波信号上并包含有关各相应卫星信息的代码与载波信号本身或其相位进行区分。与此相应，代码监测和相位监测之间是有区别的。
为确定车辆位置，接收多颗卫星的信号，并分别确定到每颗卫星的距离。但是，所接收的GNSS信号不一定会构成地球上的全等点/叠合点。反而，要因此执行补偿计算，即确定相对于所有卫星或其数据具有最小距离或误差的点。为此，典型情况下采用的是最小二乘法。
此外已知的是，在车辆中使用例如惯性传感器或周围环境传感器等传感器获得附加信息，以改善一车辆位置的确定。例如，从WO 2011/098 333 A1中已知，在一车辆中使用不同的传感器参数，以改善现有传感器参数或生成新的传感器参数，并由此增加可检测信息。
用于确定车辆位置的现代化系统典型情况下具有一融合算法，它至少将接收装置所接收的GNSS信号数据和车辆动态信息作为输入参数加以处理。在此，使用在任一时间点所有可供使用的输入数据，并通过一复杂的算法进行彼此加权。
在借助全球导航卫星系统确定位置时，可仅将代码监测用于坐标计算。与相位监测相比，它们的精度明显较差，但是明确的。相位监测相对更为准确，但不明确。
借助特殊方法、模型和修正，甚至可实现厘米级的精度。常规意义上绝对位置的确定只使用代码监测，而例如精密单点定位(PPP)法等更精确的方法主要基于对更精确相位数据的处理，与此同时，较不精确的代码监测主要仅用于计算必要的近似解。在此，除了位置坐标和接收装置的时钟误差外，由于相位监测引起的歧义也是未知数的一部分。卫星轨道偏差和卫星时钟偏差相应具有特别严重的影响，但正如已提到的那样，使用该方法可达到的精度非常高。
但一般来说，全球导航卫星系统(GNSS)定位会碰到一已知问题，即可能出现所谓的欺骗。在此，会生成一虚假的，即所谓仿冒的卫星信号，所述信号尽管形式上是有效的，但不是真正的GNSS信号。它在GNSS接收装置中造成错误的位置测定，因为在所测定卫星距离的补偿计算中会将虚假的卫星信号计算在内。
因此，利用篡改/假造信号不仅能例如在所谓的GNSS干扰器的情况下干扰全球定位系统(GPS)信号的接收，而且还会欺骗全球导航卫星系统(GNSS)接收装置，使接收装置生成错误的位置信息。但是，对未来自主行驶的车辆而言，此类攻击的可能性可能特别有害，因为可靠的卫星导航是未来车辆要自主行驶的先决条件。
尽管已计划将来为欧洲卫星系统—伽利略定位系统(Galileo)设置旨在阻止仿冒伽利略定位系统(Galileo)卫星信号的一认证信号，但该服务仅限于伽利略定位系统(Galileo)，尚不能用于或不能普遍用于其他全球定位系统，所以尤其在其他GNSS方面，该问题依然存在。
发明内容
因此，本发明的任务是提出一种方法，即使在借助篡改信号(欺骗信号)进行攻击情况下，该方法也能可靠地和/或通过很少的花费确定车辆的位置。
篡改信号或欺骗信号优选是指仿冒GNSS信号，或者具有或仿冒GNSS信号的频率、数据结构和/或其他特性而不是源于预定用于导航目的GNSS卫星的信号。
该任务通过独立权利要求的特征解决。从属权利要求的主题是本发明有益的设计方案。明确摘录的说明内容构成了权利要求的文字说明。
根据本发明一观点，在一种用于确定接收装置的位置的方法中，与由全球卫星导航系统的卫星发送一样，GNSS信号借助接收装置被接收，尤其该GNSS信号具有所发射信号的特性和/或数据结构和/或频率。因此，术语“GNSS信号”不一定要理解为是从GNSS卫星发送的信号。尽管通常是这种情况，但欺骗攻击也可能包括仅仅是伪装成卫星信号的信号。因此，在下文中，术语“GNSS信号”包括两种可能性。根据本发明所述，确定GNSS信号的代码数据和相位信息，并对代码数据和相位信息彼此进行可信度测试，以识别信号是否是一篡改信号。接收装置优选经由至少一个信号线路与控制装置相连接，其中，控制装置设置或编程用于，执行根据本发明所述方法的步骤。
所述方法也可等同地在一接收装置中用于确定速度或其方向，并也优选用于该目的。
优选执行以下步骤：
-在第一次扫描/采样和第二次扫描期间确定GNSS信号的代码数据，
-分别针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号的代码数据确定第一位置信息，
-在第一次扫描和第二次扫描期间确定GNSS信号、尤其是GNSS载波信号的相位信息，
-分别针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号的相位信息确定第二位置信息，
其中，第一和第二位置信息分别与接收装置的位置有关，
-将第一位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化与第二位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化进行比较。
第一次扫描和第二次扫描优选涉及对GNSS信号的数据消息的分别读取，尤其以通过接收装置的时钟实施计时的方式。
该方法能以有益的方式简单地使源于GNSS信号的编码数据的信息与源于GNSS信号的相位信息的信息进行可信度测试。鉴于代码数据或由此所获取的位置信息确认，GNSS信号的相位偏移是否可实现或者是否是兼容的。换句话说，在代码和相位测量中检查位置信息的变化是否与减去一定误差的信息相匹配。如果不匹配或不充分匹配，则可相当可靠地认为，所述信号是一假冒的、或篡改信号，即所谓的欺骗信号。
位置信息，尤其是第一位置信息和第二位置信息，优选是指取决于接收装置与发送GNSS信号的卫星之间距离的信息或者指所述距离信息本身，其中，例如可能一球面或该球面与地球表面的交点可被作为位置信息。为确定接收装置的位置，优选使用多个位置信息并将其融合，从而构成例如作为交集的一个点或一个近似点被作为特定位置。
代码数据优选包括卫星轨道数据和卫星时钟数据，其中，为确定第一位置信息，从信号传输时间和卫星位置计算接收装置到卫星的距离。由于代码数据以光速传输，因此可由此计算出所述距离。
相位信息优选包括从GNSS信号的发送到接收过程中的相位偏移，尤其是载波相位，其中，为确定第二位置信息，还要附加测定GNSS信号的完整周期数或相位周期数。例如，由于GNSS信号的波长是已知的，因此可从借助代码数据所确定的接收装置与卫星间的一距离出发或从第一位置信息出发，测定完整周期数或相位周期数。为能更可靠地确定信号相位所衔接的准确端部，例如可使用利用代码数据的已知方法。
根据一优选实施方式，所述方法具有下列步骤：
-检查第一位置信息变化和第二位置信息变化之间的差值是否超过一预定阈值，并在超过预定阈值情况下，输出一指标信号。随后，例如可优选借助电子数据处理装置进一步使用指标信号。指标信号可单独使用，也可在考虑例如通过其他方法所测定的其他指标情况下加以使用，以识别欺骗企图。
指标信号优选包含有关所接收的GNSS信号的一信息，该信息对信号进行明确标识。通过这类分配，可有针对性地进一步使用所述指标信号。
在指标信号一次或多次输出后，被标识的GNSS信号优选作为用于确定接收装置位置的输入参数被弱加权或被排除或不被继续用作该输入参数。由此可消除危险，并可继续借助卫星导航确定接收装置的位置。弱加权与补偿计算有关，使用该补偿计算，可在对各相应信号加权情况下，例如在考虑加权情况下用最小二乘法从多个卫星信号落实接收装置的位置。
在一次或多次输出指标信号后，优选在显示装置上进行显示，该显示以视觉/光学可见的方式指出一篡改企图。所述显示例如可以通过显示屏上的警示消息或符号来实现。由此，例如可提醒车辆乘员对相应事件引起注意。
优选检查，GNSS信号的代码数据是否包含认证数据，如果包含认证数据，则借助指标信号对认证数据进行可信度测试，或借助认证数据对指标信号进行可信度测试。如开始时所述，已计划将这种认证信号用于欧洲卫星系统—伽利略定位系统(Galileo)。这种认证信号或未来其他系统的认证信号可优选用于，为识别欺骗的相应方法提供支持。
接收装置的位置优选使用至少四颗不同卫星的GNSS信号加以确定。由此可实现指定位置近似点形的界定，并可获取用于补偿时钟误差的信息。
根据本发明另一观点，设置控制装置、优选电子控制装置用于执行指定方法。
根据另一观点，车辆、尤其是可自主运行的车辆包括上述控制装置。
附图说明
结合以下附图所述，本发明上述特性、特征和优点以及实现它们的方法将变得更为清晰、更易理解。在此，以高度示意的方式分别说明：
图1示出了从全球卫星导航系统的卫星接收GNSS信号的接收装置上的欺骗攻击，
图2示出了GNSS信号中的相位测量原理，
图3示出了根据用于确定接收装置的位置的方法的示例性实施例的流程。
具体实施方式
在图1中，用一个三角形表示用于GNSS信号的接收装置10。该接收装置例如可作为一公路行驶车辆的呈固定安装的GNSS天线形式的一部分。由于在位置确定时很小的时钟误差就会导致较大的偏差，除了定位所需的三颗卫星1、2、3之外，还使用了第四颗卫星4，以便能将时钟误差作为其他未知数加以消除。这是指，实际上常可接收到四个以上的卫星信号，这些信号可用于提高精度或数据完整性。GNSS信号6、7、8、9各自包含其独特的代码和其独特的卫星轨道数据或星历表，由此可计算出各时间点的卫星位置。GNSS信号6、7、8、9的载波在从卫星1、2、3、4到接收器的路径上通过多个周期，即完整的或2π个相位周期，并且还具有一个相位端部61，在知晓全相位周期数时，该相位端部包含与接收装置与卫星之间距离相关的特别精确的信息。
除了源于卫星1、2、3、4的四个GNSS信号6、7、8、9之外，图1中还示出了另一GNSS信号5，该信号不是源于卫星，而是来自一欺骗发射装置50，它标记为人的符号。在此，攻击方试图用一仿冒的卫星信号欺骗接收装置10，也就是说试图造成一错误定位。
根据图2应清楚理解，怎样利用GNSS信号5、6、7、8的载波相位测量特别精确地确定卫星1、2、3、4或模拟卫星与接收装置10之间的距离。在此，相位端部61在图2中用一括号标识。由于载波信号的波长是已知的，因此可方便地确定与相位端部61相对应的长度。由此确定的GNSS信号6的相位信息以及GNSS信号6的代码数据可分别用于一相应的位置信息，其中，如果GNSS信号6确实源于一卫星，则这些位置信息彼此之间不会有偏差或仅略有偏差。
图3明确示出了，怎样进行GNSS信号5、6、7、8、9的代码数据和相位信息彼此之间的可信度测试。这一可信度测试可在第一步骤11中，在第一次扫描和第二次扫描时通过确定GNSS信号5、6、7、8、9的代码数据来实现。在下一步骤12中，分别针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号5、6、7、8、9的代码数据确定位置信息。
与此相应，在步骤21中，在第一次扫描和第二次扫描时对GNSS信号5、6、7、8、9的相位信息，尤其是GNSS载波信号的相位信息加以确定。由此，在步骤22中，针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号5、6、7、8、9的相位信息中分别确定第二位置信息。第一位置信息和第二位置信息分别与接收装置10的位置有关，更确切地说，与接收装置10到卫星1、2、3、4的距离或到由仿冒GNSS信号5预定的卫星位置的距离有关。
在步骤30中，将第一位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化与第二位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化进行比较，或测定一差值。如果这两项位置信息彼此不匹配，则表明所述信号不是导航系统的卫星1、2、3、4的GNSS信号6、7、8、9，而是一仿冒的GNSS信号5。通过该可信度测试步骤将迫使攻击方不仅要大面积散发带有仿冒数据内容的信号，还需正确仿冒消息到达接收装置10的相位偏移，以便成功欺骗接收装置10。然而，这样做的前提条件是对接收方的监测，并且只能针对特定矢量，即在一特定方向中具有某一速度的空间点，生成欺骗信号。
跟踪接收装置10、测定其位置和定向的运动，然后针对该位置实时计算并发送一仿冒的GNSS信号5的必要性，对欺骗攻击方构成了几乎无法逾越的障碍。此外，在指定方法的应用中，无法成功实现多个接收装置10的大面积运行。

Claims (12)

1.一种用于确定接收装置(10)的位置的方法，其中，借助接收装置(10)接收GNSS信号(5、6、7、8、9)，该GNSS信号相应于由全球卫星导航系统的卫星(1、2、3、4)所发送的信号而形成，其中，确定GNSS信号(5、6、7、8、9)的代码数据和相位信息，并在代码数据和相位信息之间进行可信度测试，以识别GNSS信号(5、6、7、8、9)是否是篡改信号(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，它包括下列步骤：
-在第一次扫描和第二次扫描期间确定GNSS信号(5、6、7、8、9)的代码数据，
-分别针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号(5、6、7、8、9)的代码数据确定第一位置信息，
-在第一次扫描和第二次扫描期间确定GNSS信号(5、6、7、8、9)的相位信息，尤其是GNSS载波信号的相位信息，
-分别针对第一次扫描和第二次扫描从GNSS信号(5、6、7、8、9)的相位信息确定第二位置信息，
其中，第一位置信息和第二位置信息分别与接收装置(10)的位置有关，
-将第一位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化与第二位置信息从第一次扫描到第二次扫描的变化进行比较。
3.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，代码数据包括卫星轨道数据和时钟数据，其中，为确定第一位置信息，从信号传播时间和卫星位置计算接收装置(10)到卫星(1、2、3、4)之间的距离。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，相位信息包括GNSS信号(5、6、7、8、9)从发射到接收时的相位偏移，尤其是载波相位的相位偏移，其中，为确定第二位置信息，还要附加地测定GNSS信号(5、6、7、8、9)的完整周期数或相位周期数。
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于下列步骤：
-检查第一位置信息变化和第二位置信息变化之间的差值是否超过一预定阈值，并在超过预定阈值的情况下，输出一指标信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述指标信号包含与所接收的GNSS信号(5)有关的信息，该信息对所接收的GNSS信号进行了明确标识。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在一次或多次输出指标信号后，被标识的GNSS信号(5)作为用于确定接收装置(10)的位置的输入参数被弱加权或被排除或不被继续应用。
8.根据权利要求5到7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在一次或多次输出指标信号后，在显示装置上进行显示，该显示以视觉可见的方式指出一篡改企图。
9.根据权利要求5到8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，检查GNSS信号的代码数据是否包含认证数据，如果包含认证数据，则借助指标信号对认证数据进行可信度测试，或借助认证数据对指标信号进行可信度测试。
10.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少使用四颗不同卫星(1、2、3、4)的GNSS信号(6、7、8、9)来确定接收装置(10)的位置。
11.一种控制装置，其被设置成执行根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法。
12.一种车辆，尤其是可自主运行的车辆，其包括根据权利要求11所述的控制装置。
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