CN112596078A - 一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：步骤1，通过单极天线和贴片天线分别接收卫星导航信号，分别进行分析处理；步骤2，计算欺骗干扰存在的检测统计量S[k]是载噪比差异的标准偏差；步骤3，检测统计量在遭受欺骗干扰时和未被欺骗干扰时遵循不同的分布；步骤4，有两种可能的检测事件；步骤5，基于载噪比的检测输出的对数似然比；步骤6，推导出在时间t的欺骗干扰检测指示量；步骤7，确定欺骗干扰检测阈值；步骤8，当欺骗干扰检测指示量大于阈值时，表示检测到欺骗干扰。本发明方法使用的欺骗干扰检测接收机硬件复杂度低，经济性好，具有更好的应用前景。

Description

一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法

技术领域

本发明属于卫星导航干扰检测领域，特别涉及该领域中的一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法。

背景技术

随着卫星导航系统的逐步完善，对于卫星导航干扰检测的需求也逐渐增加，而欺骗干扰的方式隐蔽性更强，危害更大。目前对于欺骗干扰检测的方法多采用高端的导航接收机，并配备昂贵的天线阵列。同时，在民生以及国防领域，卫星导航的广泛使用，也面临更多的安全漏洞，欺骗干扰的干扰时间越长，造成的损失越大，因此，对欺骗干扰检测的重点不仅在于检测成功率，也对检测时间提出更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，能够在一定的虚警率条件下，实现对欺骗干扰的快速检测。

本发明采用如下技术方案：

一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，通过单极天线和贴片天线分别接收卫星导航信号，并由两台卫星导航接收机分别进行分析处理；

步骤2，假设两个天线每秒都有可用的载噪比，并且用P_1，n[k]和P_2，n[k]表示，其中P_m，n[k]表示在时间k秒，第m个天线获得的第n个导航卫星的载噪比，用于表示欺骗干扰存在的检测统计量S[k]是载噪比差异的标准偏差，由下式给出：

其中，D_n[k]＝P_1，n[k]-P_2，n[k]，表示在所有N个可用导航卫星上、在k秒的两个天线的载噪比之差；

步骤3，检测统计量S[k]在遭受欺骗干扰时和未被欺骗干扰时遵循不同的分布，欺骗干扰开始于时间t^*，基于载噪比的检测统计量{S[1],S[2],…,S[t^*-1]}遵循分布Q₀，{S[t^*],S[t^*+1],…}遵循分布Q，并且Q₀和Q₁都遵循卡方分布，其自由度由参与计算的卫星数量决定，用t_d表示检测到欺骗干扰的时间，则检测延迟为r＝t_d-t^*；

步骤4，有两种可能的检测事件，一种是虚警事件，定义为P_f＝P(t_d＜t^*)，另一种是延迟检测事件，定义平均检测延迟为

快速检测算法需要在保持虚警率满足用户需求的条件下，最小化平均检测延迟时间；

步骤5，基于载噪比的检测输出的对数似然比为：

在没有欺骗干扰时，

存在欺骗干扰时，

其中，D(Q₀||Q₁)表示Q₀和Q₁的相对熵，是两个概率分布之间的非对称度量；

步骤6，通过累积和算法，可以推导出在时间t的欺骗干扰检测指示量为：

欺骗干扰检测指示量的递推公式可表示为：

m(t+1)＝max{m(t)+l(S[t+1])，0}；

步骤7，确定欺骗干扰检测阈值α，α的确定由检测延迟T₁和虚警时间T₀共同确定，满足如下公式：

T₀≥e^α

其中，c₁由ξ分布的自由度确定，s表示检测统计量S[k]；

步骤8，当欺骗干扰检测指示量m(t)＞α时，表示检测到欺骗干扰。

进一步的，单极天线的方向图在天顶方向具有低增益，在低仰角方向有与贴片天线近似的增益。

本发明的有益效果是：

不同于目前欺骗干扰检测效果较好的导航接收机采用复杂的惯性导航辅助，或者采用昂贵的多通道、天线阵列等方式，本发明方法使用的欺骗干扰检测接收机硬件复杂度低，经济性好，具有更好的应用前景。

传统的欺骗干扰检测算法普遍采用“硬判决”的方式，且对欺骗干扰检测的时间欠缺考虑。本发明方法可以根据用户需求，在满足一定的虚警率条件下，获得最快的检测时间延迟，更快的检测到欺骗干扰，降低欺骗干扰带来的损失。

附图说明

图1是本发明方法的原理框图；

图2是本发明方法单极天线和贴片天线的仰角方向图；

图3是本发明实施例1所公开方法的流程示意图。

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。

本发明方法的原理框图如图1所示，通过单极天线和贴片天线分别接收卫星导航信号，由两台卫星导航接收机分别进行分析处理，统计所有卫星的载噪比信息，通过两台接收机同时接收到的卫星载噪比差值，构造欺骗干扰检测统计量，并采用快速检测算法，在满足虚警率要求的条件下，将欺骗干扰检测指示量快速输出。

针对欺骗干扰信号多来自于低仰角方向的特点，设计一种单极天线，它的方向图在天顶方向具有低增益，在低仰角方向有与贴片天线近似的增益，提高对欺骗干扰检测的能力。单极天线和贴片天线的仰角方向图如图2所示。

实施例1，本实施例公开了一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1，通过单极天线和贴片天线分别接收卫星导航信号，并由两台卫星导航接收机分别进行分析处理；

步骤2，假设两个天线每秒都有可用的载噪比，并且用P_1，n[k]和P_2，n[k]表示，其中P_m，n[k]表示在时间k秒，第m个天线获得的第n个导航卫星的载噪比，用于表示欺骗干扰存在的检测统计量S[k]是载噪比差异的标准偏差，由下式给出：

其中，D_n[k]＝P_1，n[k]-P_2，n[k]，表示在所有N个可用导航卫星上、在k秒的两个天线的载噪比之差；

步骤3，检测统计量S[k]在遭受欺骗干扰时和未被欺骗干扰时遵循不同的分布，欺骗干扰开始于时间t^*，基于载噪比的检测统计量{S[1]，S[2]，...，S[t^*-1]}遵循分布Q₀，{S[t^*]，S[t^*+1]，...}遵循分布Q₁，并且Q₀和Q₁都遵循卡方分布，其自由度由参与计算的卫星数量决定，用t_d表示检测到欺骗干扰的时间，则检测延迟为r＝t_d-t^*；

步骤4，有两种可能的检测事件，一种是虚警事件，定义为P_f＝P(t_d＜t^*)，另一种是延迟检测事件，定义平均检测延迟为

提出的快速检测算法的目的是在保持虚警率满足用户需求的条件下，最小化平均检测延迟时间；

步骤5，基于载噪比的检测输出的对数似然比为：

在没有欺骗干扰时，

存在欺骗干扰时，

其中，D(Q₀||Q₁)表示Q₀和Q₁的相对熵，是两个概率分布之间的非对称度量；

步骤6，通过累积和(CUSUM)算法，可以推导出在时间t的欺骗干扰检测指示量为：

欺骗干扰检测指示量的递推公式可表示为：

m(t+1)＝max{m(t)+l(S[t+1])，0}；

步骤7，确定欺骗干扰检测阈值α，α的确定由检测延迟T₁和虚警时间T₀共同确定，满足如下公式：

其中，c₁由ξ分布的自由度确定，s表示检测统计量S[k]；

步骤8，当欺骗干扰检测指示量m(t)＞α时，表示检测到欺骗干扰。

综上所述，该发明针对卫星导航欺骗干扰信号的低仰角特点，设计一种单极天线与传统贴片天线混合的天线，分别连接两个独立的导航接收机。来自这两个接收路径的导航信号由两个独立的处理单元分析，通过对载噪比统计的差异作为欺骗干扰检测的依据。由于真实卫星信号和欺骗干扰信号的载噪比的统计遵循不同的概率分布，因此提供了概率检测输出。基于概率检测输出，采用一种快速检测算法，实现对欺骗干扰检测的快速输出。在保证检测成功率的前提下，检测速度更快。现有的接收机使用本发明方法相对简单，仅需要添加低成本接收机和天线。

Claims (2)

1.一种基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过单极天线和贴片天线分别接收卫星导航信号，并由两台卫星导航接收机分别进行分析处理；

步骤2，假设两个天线每秒都有可用的载噪比，并且用P_1，n[k]和P_2，n[k]表示，其中P_m，n[k]表示在时间k秒，第m个天线获得的第n个导航卫星的载噪比，用于表示欺骗干扰存在的检测统计量S[k]是载噪比差异的标准偏差，由下式给出：

其中，D_n[k]＝P_1，n[k]-P_2，n[k]，表示在所有N个可用导航卫星上、在k秒的两个天线的载噪比之差；

步骤3，检测统计量S[k]在遭受欺骗干扰时和未被欺骗干扰时遵循不同的分布，欺骗干扰开始于时间t^*，基于载噪比的检测统计量{S[1],S[2],…,S[t^*-1]}遵循分布Q₀，{S[t^*],S[t^*+1],…}遵循分布Q₁，并且Q₀和Q₁都遵循卡方分布，其自由度由参与计算的卫星数量决定，用t_d表示检测到欺骗干扰的时间，则检测延迟为r＝t_d-t^*；

步骤4，有两种可能的检测事件，一种是虚警事件，定义为P_f＝P(t_d＜t^*)，另一种是延迟检测事件，定义平均检测延迟为

快速检测算法需要在保持虚警率满足用户需求的条件下，最小化平均检测延迟时间；

步骤5，基于载噪比的检测输出的对数似然比为：

在没有欺骗干扰时，

存在欺骗干扰时，

其中，D(Q₀||Q₁))表示Q₀和Q₁的相对熵，是两个概率分布之间的非对称度量；

步骤6，通过累积和算法，可以推导出在时间t的欺骗干扰检测指示量为：

欺骗干扰检测指示量的递推公式可表示为：

m(t+1)＝max{m(t)+l(S[t+1])，0}；

步骤7，确定欺骗干扰检测阈值α，α的确定由检测延迟T₁和虚警时间T₀共同确定，满足如下公式：

T₀≥e^α

其中，c₁由ξ分布的自由度确定，s表示检测统计量S[k]；

步骤8，当欺骗干扰检测指示量m(t)＞α时，表示检测到欺骗干扰。

2.根据权利要求1所述基于载噪比统计的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于：单极天线的方向图在天顶方向具有低增益，在低仰角方向有与贴片天线近似的增益。

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