CN112703425A

CN112703425A - 用于检测伪全球导航卫星系统卫星信号的系统和方法

Info

Publication number: CN112703425A
Application number: CN201980048516.4A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·怀特黑德
Original assignee: Hemisphere GNSS Inc USA
Current assignee: Hemisphere GNSS Inc USA
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-04-23
Also published as: EP3841403A1; WO2020041383A1; EP3841403A4

Abstract

本发明题为用于检测伪全球导航卫星系统卫星信号的系统和方法。本发明公开了一种用于检测伪全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号的系统和方法。伪GNSS卫星信号可恶意地用于控制正在使用GNSS卫星信号进行导航的主体，诸如运载工具或船。在一些实施方案中，GNSS姿态系统用于检测该伪GNSS卫星信号。该GNSS姿态系统在两个或更多个天线处测量该GNSS卫星信号的码相位或载波相位，以检测该伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，该姿态系统计算第一测量载波相位差和第二估计载波相位差，以便检测该伪GNSS卫星信号。该姿态系统可计算该两个天线之间的基线向量的姿态。一旦检测到伪GNSS卫星信号，该方法可包括防止姿态确定系统输出定位或位置数据。

Description

用于检测伪全球导航卫星系统卫星信号的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月20日提交的序列号为16/105,729的名称为“system andmethod for Detecting False Global Navigation satellite system satellitesignals(用于检测伪全球导航卫星系统卫星信号的系统和方法)”的美国专利申请的优先权，该申请为2013年10月23日提交的序列号为14/061,459的名称为“SYSTEM AND METHODFOR DETECTING FALSE GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM SATELLITE SIGNALS(用于检测伪全球导航卫星系统卫星信号的系统和方法)”的美国专利申请的部分继续申请，该申请要求2013年8月14日提交的序列号为61/865,935的名称为“False GNSS SatelliteSignal Detection System(伪GNSS卫星信号检测系统)”的美国临时专利申请的优先权，这些申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

技术领域

本发明整体涉及全球导航卫星系统(GNSS)，并且更具体地讲，涉及用于检测伪GNSS卫星信号的系统和方法。

现有技术

全球导航卫星系统广泛用于确定主体的位置和/或姿态。GNSS包括广播GNSS无线电信号的卫星的网络。GNSS卫星信号允许用户以高精确度确定接收天线的位置、信号接收的时间和/或具有固定至其的一对接收天线的主体的姿态。通过以下方式来确定位置：从处于已知定位的多个卫星接收GNSS卫星信号，确定每个信号的转变时间，以及基于已知数据来求解接收天线的定位。相对于对象具有已知放置的两个或更多个接收天线的位置可用于确定对象的姿态。GNSS系统的示例包括由美国创建的Navstar全球定位系统(GPS)；由俄罗斯联邦创建并且在概念上类似于GPS的Globalnaya Navigatsionnay SputnikovayaSistema或全球轨道导航卫星系统(GLONASS)；由中国创建的北斗导航卫星系统(BDS)；以及同样类似于GPS，但由欧洲共同体创建并且计划在不久的将来实现全部运营的Galileo。

GNSS广泛用于导航运载工具，诸如汽车、船只、农用机械、飞机和航天器。问题在于，“伪”GNSS信号可用于“欺骗”或哄骗GNSS导航系统偏离航道或提供不准确的时间。复杂的GNSS欺骗系统可用于控制导航系统并将运载工具改道到非预期位置。欺骗系统可用于恶意目的—窃取、损害、改道或破坏重要的运载工具和机器，或允许发生伪交易。因此，需要检测伪GNSS卫星信号的存在的系统。一旦检测到伪GNSS卫星信号的存在，便可防止导航系统受到伪GNSS卫星信号的影响。

附图说明

图1是正在经受欺骗的船舶的图示；

图2是用于创建伪GNSS卫星信号的欺骗系统的示例性实施方案；

图3示出根据本发明的实施方案的用于检测伪GNSS卫星信号的存在的系统；

图4示出根据本发明的实施方案的检测伪GNSS卫星信号的方法。

图5示出两个天线及其重叠的位置误差界限；

图6示出根据本发明的实施方案的用于检测伪GNSS卫星信号的存在的姿态确定系统。

图7示出姿态确定系统的接收器的实施方案的框图。

图8示出根据本发明的实施方案的检测伪GNSS卫星信号的方法500的流程图。

图9示出方法500的元素550的一个实施方案的流程图。

图10示出元素550的元素554的一个实施方案的流程图；

图11描绘了第一天线和第二天线对GNSS卫星信号的接收；

图12示出从卫星延伸到第一天线和第二天线的量程向量，以及在第一天线和第二天线之间延伸的基线向量；

图13示出具有与其在GNSS中的使用一致的几何形状的图12的系统。

图14示出可用于对象的姿态确定的三个角度偏航、俯仰和滚转；

图15以几何方式示出了由第一天线和第二天线接收的三个GNSS卫星信号的量程向量和相位差；

图16示出包括由第一天线和第二天线接收的三个GNSS卫星信号的欺骗信号的相位差；

图17大体描绘了沿着在单位向量方向上的路径从卫星广播到天线的载波信号；

图18A和图18B大体描绘了用于欺骗检测的系统；

图19大体描绘了根据实施方案的双天线系统，其中根据来自卫星的信号进行多载波相位测量；

图20大体示出了根据实施方案的使用GNSS导航的船舶100经受欺骗攻击的情况；并且，

图21大体示出了根据实施方案的正在发生GNSS欺骗的情况。

具体实施方式

如上所讨论，本发明的实施方案涉及全球导航卫星系统(GNSS)，并且更具体地讲，涉及用于检测伪GNSS卫星信号的系统和方法。一些公开的实施方案使用基于GNSS的导航系统在两个或更多个天线处测量GNSS卫星信号的相位。在一些实施方案中，相位用于确定天线是否正在接收伪GNSS卫星信号。GNSS卫星信号的相位可以是GNSS卫星信号的码相位或载波相位。在一些实施方案中，GNSS姿态确定系统计算两个或更多个天线处的GNSS卫星信号的载波相位差。在一些实施方案中，载波相位差用于确定天线是否正在接收伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，码相位差用于检测伪GNSS卫星信号而不是载波相位。在一些实施方案中，使用第一测量载波相位差来计算相同天线处的GNSS卫星信号的第二几何载波相位差。在两个天线处GNSS卫星信号的载波相位差的第一测量计算和第二几何计算之间的一致性或误差量用于确定系统是否正在接收伪GNSS卫星信号。

伪GNSS卫星信号是包含不正确数据的GNSS卫星信号。不正确的数据意味着信号中的数据未正确地识别其来自的卫星，或从卫星到天线的传送时间，或者其具有包括在伪GNSS卫星信号中的其他伪数据或误导数据，这将导致不正确的量程、位置、定时或姿态计算。具有不正确数据的伪GNSS卫星信号可用于误导GNSS导航系统和/或GNSS定时系统。

伪GNSS卫星信号不需要源自任何GNSS，也不需要源自任何地球轨道卫星。伪GNSS卫星信号包括被模拟的那些信号，换句话讲，它们从不源自GNSS卫星，但是它们被形成为模拟GNSS卫星信号，并且最终被接收天线接受为真实GNSS信号。伪GNSS卫星信号还包括源自GNSS卫星的那些信号，但它们被无知或恶意地接收和转播，使得它们不再能够用于测量天线位置或提供准确的定时信号。在一般意义上，伪GNSS信号包括包含无效卫星数据但为将被GNSS天线和接收器接受并且在没有干预的情况下将被GNSS接收器用于执行(伪)位置或姿态计算的形式的任何信号。本发明的所公开的实施方案描述了用于检测伪GNSS卫星信号以使得可发生干预，从而防止导航系统提供伪位置或导航数据的系统和方法。

GNSS包括广播GNSS无线电信号的卫星网络，从而使用户能够以高精确度确定接收天线的位置。GNSS还可用于通过确定相对于对象具有已知放置的两个或更多个接收天线的定位来确定对象的姿态。

目前可用的GNSS中运行时间最长的是GPS，它是由美国政府开发的，具有由6个轨道平面中的24颗卫星组成的星座，高度为约26,500km。第一颗卫星于1978年2月发射。GPS的初始作战能力(IOC)于1993年12月宣布。每个卫星在两个频带L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)中连续发射微波L波段无线电信号。L1信号和L2信号通过一个或多个二进制码相移或调制。除了给出每个卫星的精确轨道定位、时钟校正信息和其他系统参数的导航消息之外，这些二进制码还提供相对于卫星的机载精确时钟(通过基于地面的控制段同步到其他卫星和地面参考)的定时模式。

GNSS导航或姿态系统使用GNSS卫星信号相位(码相位或载波相位)的测量来执行其计算。提供定时信息的二进制码被称为C/A码或粗捕获码、以及P码或精确码。C/A码是调制L1信号的相位并且每1023位(一毫秒)重复的1MHz假随机噪声(PRN)码。P码也是PRN码，但调制L1信号和L2信号的相位，并且是每七天重复的10MHz码。这些PRN码是可与接收器中的内部版本进行比较的已知模式。GNSS接收器能够通过确定将内部码相位与广播码相位对准所需的时移来计算到每个卫星的明确量程。由于C/A码和P码均具有相对长的“波长”(对于C/A码为约300米(或1微秒)，并且对于P码为30米(或1/10微秒))，因此使用它们计算的定位具有相对粗的分辨率水平。在本发明的一些实施方案中，使用码相位测量来检测伪GNSS卫星信号。

为了提高使用C/A码和P码所提供的定位精确度，接收器可利用L1信号或L2信号的载波分量。如本文所用，术语“载波”是指在从调制PRN数字码(例如，从C/A码和P码)产生的频谱含量已被移除之后保留在无线电信号中的主频谱分量。L1载波信号和L2载波信号分别具有约19厘米和24厘米的波长。GPS接收器能够跟踪这些载波信号并将载波相位

测量到到完整波长的小部分，从而允许量程测量到小于一厘米的精确度。本文所述的本发明的实施方案使用这些载波相位

测量来检测伪GNSS卫星信号。

图1描绘了使用GNSS导航的船舶100经受欺骗(或换句话讲，正在接收伪GNSS卫星信号)的情况。船舶100分别从多个GNSS卫星103、104和105接收真实GNSS卫星信号106、107和108。GNSS卫星信号106、107和108由位于物理位置A处的天线101接收。电连接到天线101的GNSS接收器121接收信号106、107和108，并且基于包含在信号106、107和108内的测距信息的测量来计算位置A的GNSS位置坐标。该实施方案中的船舶100具有自动驾驶系统，该自动驾驶系统使用位置A的所计算的GNSS坐标在规定的航道中操纵船舶100。应当理解，虽然天线101被示为从三个GNSS卫星103、104和105接收GNSS卫星信号106、107和108，但天线101可从任何数量的GNSS卫星接收GNSS卫星信号。天线101从多个GNSS卫星接收GNSS卫星信号，其中多个是大于一的任何数量。

图1所示的实施方案中的天线101还从欺骗系统140(也在图2中示出)接收欺骗信号142。欺骗信号142是包含多个伪GNSS卫星信号的复合信号。生成欺骗信号142以便模拟真实GNSS卫星信号。欺骗系统140通过电缆139将欺骗信号142传输到发射器141。发射器141将欺骗信号142广播到天线101。

GNSS信号欺骗系统140可被设计成以多种方式创建伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，欺骗系统140通过模拟用期望的伪卫星数据编程的真实GNSS卫星信号来创建欺骗信号142。图2是图1的欺骗系统140的示例性实施方案，在该实施方案中，该欺骗系统在天线111处捕获真实GNSS信号116、117和118，然后利用发射器141转播这些信号。在图1和图2所示的实施方案中，欺骗系统140通过转播在与要欺骗的GNSS导航系统不同的位置处接收的实况GNSS信号来创建欺骗信号142。应当理解，欺骗系统140可使用创建欺骗信号142的任何方法来创建和广播欺骗信号142，该欺骗信号包括意在被接受为真实GNSS信号的数据。

在图1至图2所示的实施方案中，欺骗系统140包括欺骗天线111和发射器141。欺骗系统140通过转播在欺骗天线111处从实况GNSS卫星113、114和115接收的GNSS卫星信号116、117和118来生成欺骗信号142。卫星113、114和115可以是与卫星103、104和105相同或不同的GNSS卫星。欺骗天线111位于欺骗位置D处。在该实施方案中，欺骗位置D与船舶位置A偏移向量133和134，从而创建由向量135所示的总位置偏移。真实GNSS卫星信号116、117和118被组合成复合欺骗信号142并由发射器141转播。需注意，欺骗信号142是由天线111接收的多个GNSS卫星信号116、117和118的复合信号。当GNSS卫星信号116、117和118从发射器141转播时，它们变成伪GNSS卫星信号，因为它们包含如由天线111在位置D处接收的数据。在该实施方案中，欺骗信号142包含三个伪GNSS卫星信号，但应当理解，欺骗信号142可包含任何数量的伪GNSS卫星信号。

欺骗信号142的功率电平被设定为使得当天线101接收到欺骗信号142时，欺骗信号142使真实GNSS卫星信号106、107和108过功率。因此，接收器121使用欺骗信号142基于伪GNSS卫星信号116、117和118来计算GNSS位置。具体地讲，接收器121将测量伪GNSS卫星信号116、117和118的GNSS卫星信号相位(码相位和/或载波相位)

值，将使用码相位和/或载波相位

值来计算位置D的GNSS位置坐标，并且将报告船舶100处于位置D而不是其真实位置。对于由向量135给出的总定位误差，该伪位置D将从真实位置A偏移向量133和134。船舶100的导航系统将认为其位于位置D处并相应地绘制其航道。这是欺骗系统140在一些实施方案中的意图—使接收器121相信并报告船舶100处于相对于要欺骗的GNSS系统的已知或假定位置A偏移的伪位置D。还可执行导航系统的欺骗，以便使导航装置提供伪定时数据。GNSS装置通常用于关键定时应用中。因此，在一些实施方案中，执行对伪GNSS卫星信号的检测以防止欺骗系统导致GNSS装置提供伪定时数据。

需注意，欺骗信号142沿着电缆139的任何传输延迟或由于转播引起的任何传输延迟被视为所有GNSS欺骗信号上的共同时钟延迟，并且该延迟作为接收器121计算的一部分被求解。该延迟引起小的，通常不可检测的接收器时钟偏移，但是仍然进行假GNSS位置的计算。

本文描述了用于检测伪GNSS卫星信号诸如欺骗信号142的存在的系统和方法，其中欺骗信号142包括将其自身表示为来自一个或多于一个GNSS卫星的一个或多于一个GNSS卫星信号的伪数据。根据本发明的实施方案的用于检测伪GNSS卫星信号的系统和方法使用多个GNSS天线来确定所接收的GNSS卫星信号中的至少一个GNSS卫星信号是伪GNSS卫星信号，换句话讲，其包含伪数据。在一些实施方案中，本文所公开的用于检测伪GNSS卫星信号的系统是GNSS姿态系统。GNSS姿态系统使用附接到刚性主体的两个或更多个GNSS天线来确定主体的姿态。

图3示出了用于检测伪GNSS卫星信号的系统190的实施方案。在图3所示的实施方案中，图1的船舶100包括用于检测伪GNSS卫星信号的系统190。在图3所示的本发明的实施方案中，系统190具有两个GNSS天线，即第一天线101和第二天线122。第一天线101和第二天线122两者均正在接收多个GNSS卫星信号，在该实施方案中，该多个GNSS卫星信号包括GNSS卫星信号106、107和108。用于检测伪GNSS卫星信号的系统190还包括连接到第一天线101和第二天线122两者的接收器121。接收器121从第一天线101和第二天线122接收GNSS卫星信号106、107和108，测量GNSS卫星信号的GNSS卫星信号相位

值(码或载波相位)，并且根据需要执行量程、位置和姿态计算。

如图3所示，图1的船舶100上的系统190发生GNSS欺骗。欺骗信号142正在由船舶100的第一天线101接收，正如图1和图2所示和所述，不同的是在图3所示的实施方案中，船舶100包括用于检测伪GNSS卫星系统的系统190。天线101和122均分别在位置A和B处固定到图1的船舶100。为简单起见，图3中未示出船舶100。天线101和122接收预期GNSS卫星信号106、107和108以及欺骗信号142两者。欺骗系统140沿着电缆139发送欺骗信号142并且通过发射器141广播欺骗信号142。欺骗系统140通过在GNSS位置D处从GNSS卫星113、114和115转播由天线111接收的GNSS卫星信号116、117和118来生成欺骗信号142，如图2所示。GNSS卫星信号116、117和118包含定时信息，该定时信息使得能够计算分别表示卫星113、114和115与天线111之间的距离的量程R₁、R₂和R₃。量程R₁、R₂和R₃在图3中表示为216、217和218。由姿态系统190的接收器121根据由天线111接收的GNSS卫星信号116、117和118的GNSS卫星信号相位

的测量结果进行R₁、R₂和R₃的量程计算。需注意，量程测量R₁、R₂和R₃将由正在接收和处理欺骗信号142的任何GNSS接收器计算。

预期的真实GNSS卫星信号106、107和108由卫星103、104和105广播，如图1和图3所示。GNSS卫星信号106、107和108分别从卫星103、104和106行进到位于A处的天线101。在正常操作下，连接到天线101的GNSS接收器121将测量由天线101接收的GNSS卫星信号106、107和108的GNSS卫星信号码或载波相位

值，并且计算表示卫星103、104和105与天线101之间的距离的量程r₁、r₂和r₃(在图3中表示为206、207和208)。

另外，来自GNSS卫星103、104和105的GNSS卫星信号106、107和108行进到位于B处的天线122。在正常操作下，连接到天线122的GNSS接收器121将测量由天线122接收的GNSS卫星信号106、107和108的GNSS卫星信号码或载波相位

值，并且计算量程r'₁、r'₂和r'₃(在图3中表示为209、210和211)作为GNSS卫星103、104和105与天线122之间的距离。

同样在正常操作下，GNSS接收器121使用量程r₁、r₂和r₃计算来计算天线101的位置的GNSS位置A，其中GNSS位置A与天线101的位置大致重合以达到接收器的精确度。同样，在正常操作下，连接到天线122的GNSS接收器121使用r'₁、r'₂和r'₃量程值，并且计算与天线122的位置大致重合的GNSS位置B。计算的量程r'₁、r'₂和r'₃不同于r₁、r₂和r₃。而且由连接到天线101和122的接收器121计算的两个GNSS位置A和B在正常操作下是不同的GNSS位置，因为位置A和B不是物理上协同定位的。在一些实施方案中，使用所测量的量程差值r₁-r'₁、r₂-r'₂和r₃-r'₃而不是所计算的量程来计算GNSS位置。

在欺骗期间，信号142使真实GNSS卫星信号106、107和108过功率。信号142由天线101和天线122两者接收。连接到第一天线101和第二天线122的GNSS接收器121测量GNSS卫星信号载波相位

值，并且计算R₁、R₂和R₃的量程，如同由天线111接收的那样，而不是预期量程(r₁、r₂、r₃和r'₁、r'₂、r'₃)。对于接收器121认为是从天线101和天线122两者到卫星103、104和105的路径长度的事物，GNSS接收器121测量R₁、R₂和R₃的相同量程。因此，系统190用于检测伪GNSS卫星信号的一种方法是计算一个或多个量程差值，其中量程差值是从第一天线到特定GNSS卫星的量程与从第二天线到相同特定GNSS卫星的量程之间的差值。因为量程是针对两个不同天线计算的，所以两个量程应不同，并且量程差值应大于预先确定的阈值量程差值。如果量程是相同或接近相同的值，则量程差值将较小或为零。如果量程差值较小或为零(例如小于预先确定的阈值量程差值)，则这可用作GNSS卫星信号中的一个或多个GNSS卫星信号为伪GNSS卫星信号的指示。或者如果所有假量程差值具有大致相同的值(由于接收器时钟差或传输延迟)，则系统正被欺骗。天线之间的传输延迟对于所有伪GNSS卫星信号(欺骗信号)是相同的，因为它们遵循相同的路径。假量程是仍然存在时钟或延迟分量的量程。

图4示出了根据本发明的实施方案的使用如上所述的测量的量程差值来检测伪GNSS卫星信号的方法400。方法400包括利用多个天线中的每一个天线接收多个GNSS卫星信号的元素410。图3示出了两个天线101和122，但多个天线可包括大于一的任何数量的天线。图3示出了正常非欺骗环境中的三个GNSS卫星信号106、107和108，或欺骗环境中的GNSS卫星信号116、117和118，但多个GNSS卫星信号可包括大于一个的任何数量的卫星信号。

方法400包括测量多个GNSS卫星信号相位

值的元素420。多个GNSS卫星信号相位

值包括多个天线中的每个天线处的多个GNSS卫星信号中的每个GNSS卫星信号的GNSS卫星信号相位

值。方法400还包括使用多个GNSS卫星信号相位

值从多个天线中的第一天线计算到第一GNSS卫星的量程的元素430。每个量程是多个天线中的一个天线与多个GNSS卫星中的一个GNSS卫星之间的距离。多个GNSS卫星是广播多个GNSS卫星信号的GNSS卫星。在图3中，在非欺骗情况下，多个GNSS卫星被示出为广播多个真实GNSS卫星信号106、107和108的三个GNSS卫星103、104和105。在欺骗情况下，多个GNSS卫星被示出为广播多个GNSS卫星信号116、117和118的三个GNSS卫星113、114和115，该多个GNSS卫星信号被组合成欺骗信号142。上述多个中的每个可以是大于一个的任何数量。例如，在没有伪GNSS卫星信号的正常情况下，元素430将包括图3的系统190的接收器121计算从第一天线101到GNSS卫星103的量程r₁。在第一天线101正在接收欺骗信号142的欺骗环境中，元素430将包括接收器121计算从第一天线101到GNSS卫星103的量程R₁。

方法400还包括使用多个GNSS卫星信号相位

值从多个天线中的第二天线计算到第一GNSS卫星的量程的元素440。继续上述示例，在没有伪GNSS卫星信号的正常情况下，元素440将包括接收器121计算从第二天线122到GNSS卫星103的量程r’₁。在第二天线122正在接收欺骗信号142的欺骗环境中，元素440将包括接收器121计算从第二天线122到GNSS卫星103的量程R₁。需注意，在非欺骗环境中，量程r₁和r’₁是不同的，因为天线101和122处于不同的位置，并且因此路径长度r₁和r’₁是不同的。但是在欺骗环境中，当第一天线101和第二天线122正在接收欺骗信号142中的伪GNSS卫星信号116、117和118时，接收器121将针对第一天线101和第二天线122与GNSS卫星103之间的量程计算量程R₁(相同量程值)，因为由第一天线101和第二天线122接收的数据反映了来自欺骗天线111和GNSS卫星信号113的量程R₁。

根据本发明的实施方案的方法400还包括计算量程差值的元素450，其中量程差值是从第一天线到第一GNSS卫星的量程与从第二天线到第一GNSS卫星的量程之间的差值。继续该示例，在正常非欺骗环境中的元素440将包括计算r₁和r’₁之间的差值。该差值应反映天线101和122处于不同位置的事实。在欺骗环境中，元素440将包括计算R₁和R₁之间的差值。由于欺骗环境中的量程测量在计算精确度内是相同的，因此欺骗环境中的量程差值应为零或由每个量程计算中的少量计算误差引起的某个小数值。

方法400还包括使用量程差值来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号的元素460。在一些实施方案中，将量程差值与预先确定的阈值量程差值进行比较。如果量程差值小于预先确定的阈值量程差值，则确定多个GNSS卫星信号包括伪GNSS卫星信号。如果量程差值大于预先确定的阈值量程差值，则确定多个GNSS卫星信号不包括伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，使用由多个天线接收的多个GNSS卫星信号来计算多个量程差值，以测量和区分多个量程。元素460可包括比较一个或多个量程差值的许多不同方式和方法。方法400可包括许多其他元素。在一些实施方案中，方法400包括响应于确定多个GNSS卫星信号包括至少一个伪GNSS卫星信号而防止系统输出位置输出的元素。防止输出位置数据是防止伪GNSS卫星信号成功地接管对导航系统或使用天线的其他系统的控制以达到目的的一种方式。

在欺骗环境中，其中在图3所示的实施方案中，第一天线101和第二天线122正在接收包含GNSS卫星信号116、117和118的欺骗信号142，GNSS接收器121测量从天线101和天线122两者到卫星103、104和105的路径长度的相同或类似量程R₁、R₂和R₃(因为数据真正来自GNSS卫星113、114和115)。接收器121将使用这些值来对天线101的GNSS位置A和天线122的GNSS位置B两者计算在位置误差界限内的基本上相同的GNSS位置。系统190的接收器121预先不知道点A和点B的GNSS位置，但可以知道点A和点B之间的相对距离。因此，系统190用于检测伪GNSS卫星信号的第二种方法是比较计算的GNSS位置A和B。系统190将响应于天线101和122的计算的GNSS位置在位置误差界限内为相同GNSS位置值而确定其正在接收伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，该方法包括使用多个量程计算多个天线中的每个天线的GNSS位置，以及响应于多个天线中的每个天线的计算GNSS位置在位置误差界限内为相同GNSS位置值，确定多个GNSS卫星信号包括伪GNSS卫星信号。

因此，如图3所示的根据本发明实施方案的双天线GNSS系统190能够在许多情况下检测欺骗。需注意，欺骗信号142可横向于不同路径221和222以行进到天线101和122。欺骗信号142沿着路径221和222的路径长度以及因此信号行进时间的差异将导致连接到天线101和122的接收器121计算不同的接收器时钟偏移。然而，这将不影响量程或位置计算。当接收欺骗信号142时，系统190将计算量程和GNSS位置A和B，它们是在接收器121的精确度内的相同值。应当理解，虽然第一天线101和第二天线122被示出为连接到一个公共接收器121，但每个天线可具有其自身的GNSS接收器，其中公共处理器比较数据以确定计算的GNSS位置A和B在位置误差界限内是相同的位置值。

在一些情况下，通过比较两个或更多个天线的计算GNSS位置来检测伪GNSS卫星信号的这种方法可能存在问题。具体地讲，如果第一天线101和第二天线122之间的距离小于由每个接收器计算的位置误差界限，则可能无法确定位置在位置误差界限内是否相同。这在图5中示出。图5示出了图3的位置A处的天线101和图3的位置B处的天线122。每个天线分别从GNSS卫星103、104和105接收GNSS卫星信号106、107和108。接收器121(图3)计算接收器101的GNSS位置，该GNSS位置精确到位置误差界限160内，如图5所示。接收器121还计算接收器122的GNSS位置，该GNSS位置精确到位置误差界限162内，如图5所示。位置误差界限是由于量程测量中的误差和不精确性而围绕GNSS位置计算的不确定性的区域。位置误差界限160和162在图5中被示出为二维椭圆形，但应当理解，它们是三维区域，诸如球体、卵形体或其他三维区域。如图5所示的交叉影线区域164表示两个位置误差界限160和162的重叠区域164。当天线101和天线122彼此足够靠近以使得它们均驻留在重叠区域164内时，如图5所示，不可能精确地确定位置A和位置B的计算的GNSS位置是否是相同的GNSS位置，因为它们的位置误差界限重叠。

使用双天线方法减轻伪检测可能性的一种方式是确保从天线101到天线122的距离足够大，使得它们相应的位置误差界限160和162不相交。然而，这样做的缺点是其需要更大的安装空间和可能更长的电缆，并且因此需要不太紧凑的系统。使位置误差界限160和162的大小最小化是可行的解决方案，其可利用GNSS姿态系统来完成，如稍后将讨论的。

应当理解，虽然在图1至图5中示出并描述了三个卫星的集合，导致三个GNSS卫星信号的集合被发送，但这三个卫星的集合仅是示例。一般来讲，多个GNSS卫星用于GNSS卫星信号码或载波相位

量程、位置以及姿态测量和计算，其中多个是大于一个的任何数量。系统190使用多个GNSS卫星，这导致每个天线接收多个GNSS卫星信号。并且虽然示出并描述了第一天线101和第二天线122，但一般来讲，系统190使用多个天线，其中多个是大于一个的任何数量。贯穿本文档，示出并描述了两个或三个GNSS卫星、GNSS卫星信号和天线的集合以简化附图和说明，但应当理解，卫星、卫星信号和/或天线的数量通常大于二或三，并且实际上可以是大于一的任何数量。

GNSS姿态系统(也称为GNSS姿态确定系统)具有执行各种测量和计算的能力，这些测量和计算允许其以高精确度确定GNSS卫星信号是否为伪GNSS卫星信号，同时使使用如上所述的测量量程或计算的GNSS位置的限制最小化。GNSS姿态系统具有最少两个天线，并且通过差分在两个或更多个天线处测量的GNSS卫星信号码或载波相位

值来计算测距差值。下面描述基本GNSS姿态系统和使用GNSS姿态系统检测伪GNSS卫星信号的方法。关于GNSS姿态系统和载波相位差的计算的更多细节可见于授予Whitehead的相关美国专利第7,292,185号中。

图6描绘了根据本发明的实施方案的用于确定伪GNSS卫星信号的存在的姿态确定系统390(也称为姿态系统390或系统390)。系统390被示为跟踪多个GNSS卫星303、304和305，也分别称为S1、S2和S3。系统390包括在位置A、B和C处的多个天线301、322和324以接收GNSS卫星信号。卫星303、304和305分别广播射频GNSS卫星信号306、307和308。GNSS卫星信号306、307和308由多个天线301、322和324接收。每个GNSS卫星信号306、307和308分别经由连接314、315或316从每个天线301、322或324行进到接收器单元321，在那里对其进行下转换和数字采样，使得其可由接收器321的数字跟踪回路跟踪。在跟踪多个GNSS卫星信号306、307和308中的每一者时，容易提取各种定时和导航信息，包括在多个GNSS卫星信号306、307和308中的每一者上调制的假随机噪声(PRN)码定时模式的相位(通常称为码相位)，每个GNSS卫星信号的载波的载波相位

以及可由其计算每个GNSS卫星的位置的导航数据。应当理解，虽然三个天线301、322和324、三个GNSS卫星303、304和305以及三个GNSS卫星信号306、307和308用于描绘图6中的多个天线、多个GNSS卫星和多个GNSS卫星信号，但如果需要，可使用更多或更少数量的天线、卫星和卫星信号。

为了执行规定的功能和期望的处理，以及用于其的计算(例如，姿态确定过程等)，接收器321可包括但不限于处理器、计算机、存储器、存储装置、寄存器、定时、中断、通信接口和输入/输出信号接口等，以及包括前述中的至少一者的组合。例如，接收器321可包括信号接口，以根据需要实现GNSS卫星信号的精确下转换和数字采样和跟踪，并且有利于提取各种定时和导航信息，包括但不限于PRN码定时模式的相位。

图7示出了可用于检测伪GNSS卫星信号的存在的图6的姿态确定系统390的接收器321的示例性实施方案。图6和图7的系统390使用包含多个同步跟踪装置202、203和204的单个接收器单元321。每个跟踪装置202、203和204分别与恰好一个天线301、322和324相关联。每个跟踪装置202、203和204能够跟踪多个GNSS卫星。在该实施方案中，每个跟踪装置202、203和204正在跟踪每个卫星303、304和305。跟踪装置202、203和204提供以下功能：对从多个卫星303、304和305到达的所接收的射频(RF)GNSS卫星信号306、307和308进行下转换，对复合信号进行采样，以及对复合信号执行高速数字处理(诸如与PRN参考信号的相关性)，这允许跟踪每个卫星的码和载波相位

同步跟踪装置诸如跟踪装置202、203和204的示例和进一步描述在2005年1月5日提交的名称为“Method and System for SynchronizingMultiple Tracking Devices For A Geo-location System(用于同步地理定位系统的多个跟踪装置的方法和系统)”的共同转让的美国专利7,292,186中有所描述，该专利的内容全文以引用方式并入本文。在该实施方案中，每个跟踪装置202、203和204连接到单个共享计算机处理单元(CPU)318。CPU 318分别向多个跟踪装置202、203和204发送控制命令310、311和312。控制命令310、311和312使跟踪装置202、203和204能够跟踪多个GNSS卫星303、304和305。CPU 318从每个跟踪装置202、203和204接收回多个GNSS卫星信号306、307和308的码和载波相位

测量结果。

同步信号214从主跟踪装置202发送到从跟踪装置203和204。同步信号214允许主跟踪装置202以及从跟踪装置203和204同时测量多个GNSS卫星信号306、307和308中的每一者的码和载波相位

此外，使用公共时钟信号320完成每个跟踪装置202、203和204内的RF下转换以及每个跟踪装置202、203和204对数据的采样。当通过将由一个跟踪装置测量的载波(或码)相位

与由相同GNSS卫星的另一个跟踪装置测量的载波(或码)相位

相减而形成单差相位观察时，由于接收器321的时钟误差，相位的部分基本上消除了该差值。此后，由于不同的有效RF路径长度(可能由不同的电缆长度、稍微不同的滤波器组延迟等引起)，单差时钟误差的所有剩余部分都是小的、几乎恒定的偏差。因此，与诸如航向、俯仰或滚转之类的其他更重要的量相比，可不频繁地估计时钟误差。在没有估计时钟误差的时间期间，姿态确定系统390可以使用比必须连续估计时钟误差的系统少一个的GNSS卫星来产生输出。或者，如果利用卡尔曼滤波器，则时钟状态的过程噪声可显著降低，从而允许卡尔曼滤波器增强其对其他状态(诸如姿态角度)的估计。最后，由于可排除时钟跳跃，因此周期滑移更易于检测。

再次参见图6，所选择的天线对被分组在一起，使得可以计算由该对的两个天线中的每个天线接收的GNSS卫星信号的GNSS卫星信号码或载波相位差Δ。GNSS卫星信号码或载波相位差Δ(也称为相位差或差分相位)是在第一天线处测量的特定GNSS卫星信号的GNSS卫星信号码或载波相位

值与在第二天线处测量的相同GNSS卫星信号的GNSS卫星信号码或载波相位

值之间的差值。例如，在图6中，对AB、AC和BC是由其计算相位差Δ的天线对的可能组合。

如图6和图7所示的姿态确定系统390使用载波相位

值的测量和载波相位差Δ的计算来检测伪GNSS卫星信号。应当理解，码相位值和差值可用于代替针对姿态确定系统390描述的计算中的载波相位值和差值。在这些实施方案中使用载波相位测量，因为载波信号分量具有比码信号分量更高的精确度，并且因此导致更精确的位置和姿态计算。图8至图10示出了检测伪GNSS卫星信号的方法500的实施方案。图11至图16以及相应的讨论示出和描述了包括在图8至图10所示的方法500的实施方案中的各种元素。在本发明的一些实施方案中，GNSS姿态系统诸如系统390用于执行方法500。在一些实施方案中，使用双天线系统诸如图3所示的系统190来执行检测伪GNSS卫星信号的方法500。在一些实施方案中，用于使用检测伪GNSS卫星系统的方法500的系统包括至少第一天线、第二天线和接收器。第一天线和第二天线接收多个GNSS卫星信号。接收器电连接到第一天线和第二天线，并且接收由第一天线和第二天线中的每一者接收的多个GNSS卫星信号。接收器执行如图8至图10所示和下文所述的方法500的各种实施方案中所包括的元素。下面的描述示出并描述了如何使用图6至图7以及图11至图16的GNSS姿态确定系统390来执行方法500的实施方案以检测伪GNSS卫星信号。

图8示出了使用GNSS姿态系统来检测伪GNSS卫星信号的方法500的一个实施方案。方法500包括利用多个天线中的每一个天线接收多个GNSS卫星信号的元素510。在一些实施方案中，多个天线中的每个天线属于GNSS姿态系统。在图6和图7所示的实施方案中，GNSS姿态确定系统390正在执行方法500。在该实施方案中，多个GNSS卫星信号包括分别来自GNSS卫星303、304和305的GNSS卫星信号306、307和308。多个天线包括第一天线301、第二天线322和第三天线324。多个天线301、322和324中的每一个天线接收多个GNSS卫星信号306、307和308中的每一个GNSS卫星信号。

在一些实施方案中，方法500包括测量多个GNSS卫星信号码或载波相位

值的元素530。姿态确定系统390的接收器321执行在图6和图7所示的实施方案中测量多个GNSS卫星信号码或载波相位

值的元素530。每个GNSS卫星信号码或载波相位

值是多个GNSS卫星信号306、307和308中的每一个GNSS卫星信号在多个天线301、322和324的每一个天线处的GNSS卫星信号码或载波相位

值。在附图和以下描述中所示的系统390的实施方案中，系统390正在测量GNSS卫星信号载波相位

值。姿态系统390使用载波相位

值，因为载波信号分量具有与码长度相比较小的波长，并且因此在量程、位置和姿态计算中提供更高的精确度。应当理解，码相位测量可用于代替计算中的载波相位测量。

图11示出了GNSS卫星信号的载波相位

值的测量的元素。图11示出了图6和图7的系统390的一部分，包括GNSS卫星303(也称为卫星S1)、第一天线301、第二天线322和接收器321。为简单起见，图11中省略了包括在图6和图7的多个GNSS卫星和多个天线中的其余项目。图11描绘了图6和图7的姿态确定系统390的天线301和322对包含载波307分量的GNSS卫星信号306的接收，其中GNSS卫星信号306随后从每个天线路由到接收器单元321。第一天线301和第二天线322从GNSS卫星303S1接收GNSS卫星信号306。在每个天线301和322处接收的GNSS卫星信号306经由电缆314和315路由到接收器单元321。接收器单元321使用与天线301和322相关联的跟踪装置202和203跟踪GNSS卫星信号306(图7)。以规则的间隔进行GNSS卫星信号306的码和载波相位

测量。对于本发明的一些实施方案而言特别重要的是GNSS卫星信号306的载波307的相位

该相位通过载波的波长λ309与到卫星量程相关。载波相位

是当GNSS卫星信号到达天线时该GNSS卫星信号所处的波长周期中的特定点的量度。到GNSS卫星303的量程可以以将其划分的载波波长λ309的数值来表示。对于GPS卫星，载波波长λ309对于L1载波为约19cm，而对于L2载波为24cm。接收器321内的跟踪回路通常将载波相位

跟踪到小于载波波长λ的百分之三的精确度。当以GNSS的GPS形式跟踪L1载波信号时，这相当于5mm或更小。在第一天线301处测量的GNSS卫星信号306的载波相位值被指定为

并且在第二天线322处测量的GNSS卫星信号306的载波相位值被指定为

本文用于载波相位

的命名约定使得S1上标指定产生GNSS卫星信号的卫星，该GNSS卫星信号的相位被测量，并且下标指定天线的测量载波相位

的位置。

根据本发明的实施方案的测量多个GNSS卫星信号码或载波相位

值的元素530可包括许多其他元素。测量多个GNSS卫星信号码或载波相位

值的元素530可通过本领域现在已知的或将来发现的用于测量GNSS卫星信号的GNSS卫星信号码或载波相位

值的任何方法来执行。

图8所示的方法500的实施方案还包括使用多个GNSS卫星信号码或载波相位

值来确定多个GNSS卫星信号306、307和308是否包括伪GNSS卫星信号的元素550。在图6和图7所示的实施方案中，元素550由接收器321执行。所测量的GNSS卫星信号码或载波相位

值可以以任何数量的方式用于确定多个GNSS卫星信号306、307和308是否包括一个或多于一个伪GNSS卫星信号。下面描述这些方式中的若干方式。在一些实施方案中，GNSS卫星信号码或载波相位

值用于测量多个天线的量程和GNSS位置，如先前相对于图3和图4所解释的。稍后将讨论的图9和图10示出并描述了如图8所示的方法500的元素550的多个另外的实施方案。

使用GNSS姿态系统检测伪GNSS卫星信号的方法500可包括许多其他元素。在一些实施方案中，方法500包括响应于确定多个GNSS卫星信号包括伪GNSS卫星信号而防止姿态系统输出定位输出的元素570。该元素在图8中以虚线示出，因为其在图8的方法500中是任选的。在一些实施方案中，一旦检测到伪GNSS卫星信号，用于检测伪GNSS卫星信号的系统(诸如本文档中所述的姿态确定系统190或390)便提供警告。在其他实施方案中，用于检测伪GNSS卫星信号的系统(诸如本文档中所述的姿态确定系统190或390)从位置计算中排除所检测到的伪GNSS卫星信号。元素570包括进行或执行以提供警告或防止姿态系统输出伪导航数据的任何元素或步骤。例如，伪导航数据可允许伪GNSS卫星信号接管运载工具的导航。在一些实施方案中，元素570包括防止位置数据从姿态确定系统390输出。在一些实施方案中，元素570包括防止姿态数据从姿态确定系统390输出。在一些实施方案中，元素570包括防止量程数据从姿态确定系统390输出。在一些实施方案中，元素570包括防止国家海洋电子协会(NMEA)输出消息(诸如NMEA GPGGA输出消息)从姿态确定系统390递送。防止姿态系统提供导航数据(诸如量程、位置和姿态)将防止伪GNSS卫星信号控制正在使用姿态系统的设备。在一些实施方案中，方法500包括响应于检测到伪GNSS卫星信号而输出警告信号。在一些实施方案中，方法500包括从诸如位置、姿态或时间之类的计算中排除伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，方法500包括响应于检测到特定类型的伪GNSS卫星信号，从计算中排除特定类型的GNSS卫星信号(GPS、GLONASS、BDS)。例如，如果检测到GPS卫星信号是伪造的，则姿态系统可以使用GLONASS卫星信号进行计算，GPS信号除外。

使用多个GNSS卫星码或载波相位

值来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号的元素550的若干实施方案在图9和图10中示出并在下文描述。图9示出了元素550的实施方案，包括元素550的元素554的两个实施方案。图10示出了元素550的元素554的另外实施方案。

图9的元素550包括从多个载波相位

值计算多个第一载波相位差Δ₁的元素552。在一些实施方案中，测量码相位值而不是载波相位

值，并且计算码相位差而不是载波相位

差。应当理解，码相位值和差值可用于代替姿态系统390的载波相位值和差值。在本文档中，第一载波相位差被指定为Δ₁，并且被定义为第一天线(A)处多个GNSS卫星信号中的特定一个GNSS卫星信号的测量载波相位

与第二天线(B)处多个GNSS卫星信号中的相同特定一个GNSS卫星信号的测量载波相位

之间的差值，并且由下式给出：

其中

为源自卫星S并在天线B处测量其载波相位的GNSS卫星信号的测量载波相位，并且

为源自卫星S但在天线A处测量其载波相位的相同GNSS卫星信号的测量载波相位。该实施方案中的第一载波相位差Δ₁为所测量的载波相位差，因为其由所测量的载波相位

值来确定。这与稍后将讨论的第二估计载波相位差Δ₂形成对比，该第二估计载波相位差为基于几何考虑来计算的估计载波相位差值。

方程1提供了执行图9的从多个载波相位

值计算多个第一载波相位差Δ₁的元素552的一种方法。一旦由系统390的接收器321针对多个天线处的多个GNSS卫星信号测量多个载波相位

值(元素530)，便根据方法500的方程1和元素552计算第一载波相位差Δ₁。对于每个天线对和每个GNSS卫星信号确定第一载波相位差Δ₁。然后使用这些第一载波相位差Δ₁来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号，如图9和图10中的元素554所详述。因此，在一些实施方案中，计算多个第一载波相位差包括从在多个天线中的第二天线处接收的多个卫星信号中的每个单独卫星信号的对应测量载波相位

值减去在多个天线中的第一天线处接收的多个卫星信号中的每个单独卫星信号的测量载波相位

值。

图9所示的实施方案中的方法500的元素550包括使用多个第一载波相位差Δ₁来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号的元素554。第一载波相位差Δ₁可以以多种方式用于确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号。下面描述的是用于执行元素554的多个示例性步骤、元素、方法和计算的细节，该元素使用图6和图7的姿态确定系统390，使用多个第一载波相位差Δ₁来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号。元素554的这些实施方案包括连接天线中的两个天线的基线向量的姿态的计算(稍后将描述的元素556和元素564)，以及第二估计载波相位差Δ₂的计算(稍后将描述的元素558和566)。使用多个载波相位

值和多个第一载波相位差Δ₁进行的这些计算的结果用于确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号。

如图9和图10所示以及如系统390所使用的检测伪GNSS卫星信号的方法500的元素554的实施方案依赖于确定测量和估计的载波相位差Δ值两者，然后比较测量和估计的载波相位差Δ值以确定系统390是否正在接收伪GNSS卫星信号。根据本发明的实施方案的系统390计算第一测量载波相位差Δ₁和第二估计载波相位差Δ₂。第一载波相位差Δ₁的计算包括如上所述根据方程1的元素552。第二载波相位差Δ₂的计算包括图9和图10所示的元素558，并且将在稍后进一步详细讨论。如前所述，在该实施方案中，第一载波相位差Δ₁为测量的载波相位差，使用方程1由测量的载波相位

值计算。第二载波相位差Δ₂为基于GNSS卫星和天线的假定几何形状的估计值。在正常非欺骗GNSS系统中，预期估计的第二载波相位差Δ₂将匹配所测量的第一载波相位差Δ₁。残余误差是第一测量载波相位差Δ₁与第二估计载波相位差Δ₂之间的差值，换句话讲，残余误差是载波相位差Δ的测量计算与估计计算之间的差值。当存在伪GNSS卫星信号时，两个值Δ₁和Δ₂将不一致。因此，可通过比较两个载波相位差Δ₁和Δ₂来检测伪GNSS卫星信号，因为当接收到伪GNSS卫星信号时，两个载波相位差值Δ₁和Δ₂之间的残余误差或差值量通常将较大。当不存在伪GNSS卫星信号时，两个值Δ₁和Δ₂通常将以小的残余误差匹配。第一测量载波相位差Δ₁值和第二估计载波相位差Δ₂值的失配是根据本发明的检测伪GNSS卫星信号的方法500的元素554的一些实施方案的基础。在一些实施方案中，计算第三载波相位差Δ₃(另一个估计值)并将其与第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂进行比较。第三载波相位差Δ₃的计算和使用包括图10的元素554的元素566和568，并且将在稍后讨论。

图9的元素554包括使用多个第一载波相位差Δ₁来计算多个天线中的第一天线与多个天线中的第二天线之间的基线向量的姿态的元素556。基线向量的姿态用于计算第二载波相位差Δ₂。图12至图15示出了对于基线向量的姿态的计算和第二载波相位差Δ₂的计算重要的元素。图12和图13示出了用于检测图6、图7和图11的伪GNSS卫星系统的姿态确定系统390的部件，其中为简单起见，部件中的一些部件未示出。图12和图13示出了位于点A和B处的图6、图7和图11的第一天线301和第二天线322。天线301和322各自从GNSS卫星303S1接收GNSS卫星信号306。量程向量

在点A处从卫星303(S1)延伸到天线301。本文使用的量程向量命名约定使得上标指定向量从其延伸的卫星，并且下标指定向量延伸到其的天线。因此，量程向量

在点A处从卫星S1(303)延伸到天线301。量程向量

在点B处从卫星S1(303)延伸到天线322。向量

在第一天线301和第二天线322之间延伸，从而连接点A和B。连接两个天线的任何向量，诸如向量

将被称为基线向量。出于说明的目的，在图12中，基线向量

(在图中也表示为370)相对于到卫星303的距离被示出为显著较大。图13描绘了在图示和几何上更准确的场景，其中卫星303S1(图13中未示出)相对于

的长度显著地远离，使得量程向量

和

基本上平行。

量程向量

的长度与量程向量

的长度的差值是等于由天线301A和天线322B两者接收的GNSS卫星信号的载波相位差Δ₁的值。因此，在图12和图13所示的系统中，量程向量

的长度与量程向量

的长度的差值可用于估计在第二天线322

处接收的来自GNSS卫星303(S1)的GNSS卫星信号306的载波相位

值与在第一天线301

处接收到的信号306的载波相位

之间的载波相位差Δ₁，并且被定义为几何或估计的载波相位差

如图13所示，表示为350。本文用于几何或估计载波相位差的命名约定使得S1上标指定产生GNSS卫星信号的卫星，该GNSS卫星信号的相位差Δ被估计，并且AB下标指定正在接收GNSS卫星信号的天线。

姿态系统诸如姿态确定系统390基于两个或更多个接收天线(诸如图13所示的位置A处的天线310和位置B处的天线322)的所计算的GNSS位置来例行地计算姿态或对象的轴线相对于参考系统的取向。图14示出了相对于地球基准参考系统358的基线向量370

应当理解，对象的姿态通常是相对于不同于所示的地球基准参考系统358的主体固定参考系统计算的，但是从一个参考系统到另一个参考系统的转换是标准计算。图14所示的地球基准参考系统358包括指向北的X轴360、指向东的Y轴364以及朝向地球中心指向下的Z轴362。基线向量370

的姿态可以使用偏航角ψ366(也称为航向或方位角)、俯仰角θ368、滚转角φ369和长度L380来定义。对于二维对象，仅需要两个角度，俯仰角θ368和滚转角φ369。在许多姿态确定系统中，基线向量370

的长度L 380是已知的，因为它是两个天线301和322之间的已知或可确定的距离。因此，在一些实施方案中，基线向量的姿态的计算包括使用基线向量的预先确定的长度来计算基线向量的姿态，其中预先确定的长度是定义基线向量的两个天线之间的距离。要在计算上确定的元素越少，需要求解的方程数量越少，并且计算越稳健。基线向量的姿态的计算由GNSS姿态系统诸如系统390常规地执行。方法500利用姿态确定系统的这种能力，并将其应用于检测伪GNSS卫星信号的问题。基线向量的姿态计算的细节在授予Whitehead等人的美国专利第7,292,185号中有更详细的描述，该专利的内容全文以引用方式并入本文中。应当理解，可使用其他角度和变量来指定向量的姿态。

如前所述的估计或几何定义的载波相位差

350基于如图13所示的几何考虑因素来定义。该几何载波相位差

350一般来讲是来自GNSS卫星的单位向量与在位置A和B处正在接收GNSS卫星信号的两个天线之间的基线向量

的点积，由下式给出：

其中

是来自卫星303S1(在图13中表示为330)的单位向量，并且

是来自位置A处的天线301和位置B处的天线322的基线向量370。几何载波相位差

是由方程1确定的所测量的载波相位差Δ₁的估计值。将方程2代入方程1，得到方程3：

姿态确定系统390使用方程3来执行元素556，从而使用来自多个卫星的第一载波相位差Δ₁的多个测量来求解基线向量

这在图15中示出。单位向量

330由姿态确定系统390使用原始卫星和接收天线的已知位置来确定，如姿态确定领域中已知的。图15示出了图6和图7以及图11至图13的姿态系统390的第一天线301的位置A和第二天线322的位置B。为了图13的简单起见，天线301和322未示出。还示出了图6和图7以及图11至图13的三个GNSS卫星303(S1)、304(S2)和305(S3)，从GNSS卫星303、304和305中的每一者延伸的量程向量，以及第一天线301的位置A和第二天线322的位置B。GNSS卫星303、304和305分别正在广播GNSS卫星信号306、307和308，如先前图6所示。量程向量

和

是分别从卫星303(S1)到位置A和B的量程向量。量程向量

和

是分别从卫星304(S2)到位置A和B的量程向量。量程向量

和

是分别从卫星305(S3)到位置A和B的量程向量。由第一天线301和第二天线302中的每个天线接收的GNSS卫星信号303、304和305中的每个GNSS卫星信号的估计几何载波相位差分别被示出为

350、

352和

354。

在一些实施方案中，姿态确定系统390通过为每个GNSS卫星信号和每个基线向量创建方程3，然后使用多个方程求解基线向量的姿态来执行元素556。代数最小二乘法或卡尔曼滤波器方法可用于使用所测量的第一载波相位差Δ₁来求解基线向量的姿态。姿态确定系统诸如本发明的实施方案的姿态确定系统390常规地执行单位向量和基线向量的姿态的计算，如前所述。关于单位向量和基线向量的计算的更多细节可见于授予Whitehead的美国专利第7,292,185号中。

对于图13所示的系统，待求解的方程组将由下式给出：

并且

其中

和

是使用方程1计算的测量的第一载波相位差Δ₁以及在天线301A和322B处测量的GNSS卫星信号306(来自卫星303S1)、307(来自卫星304S2)和308(来自卫星305S3)的所测量载波相位

值。同时求解这三个方程以确定基线向量

370的姿态。应当理解，在一些实施方案中，使用更多的GNSS卫星信号，这提供更多数量的所测量第一载波相位差Δ₁值。通常，同时求解的方程的数量越多，基线向量

的姿态的计算的所得精确度越大。在一些实施方案中，计算第二基线向量的姿态，其中第二基线向量在多个天线中的第一天线和多个天线中的第三天线之间延伸。例如，对于图6的姿态系统390，在多个天线中的第一天线与多个天线中的第三天线之间延伸的第二基线向量是在位置C处的天线A301和天线324之间的基线向量

372。

以这种方式，多个第一载波相位差Δ₁用于执行计算多个天线中的第一天线和多个天线中的第二天线之间的基线向量的姿态的元素556。元素556是包括如图9和图10所示的元素550的实施方案中的元素554的元素中的一个元素，并且元素550是根据本发明的实施方案的图8的方法500的元素中的一个元素。

元素554中使用多个第一载波相位差Δ₁来确定多个GNSS卫星信号是否包括如图9所详述的元素550的伪GNSS卫星信号的下一个步骤是使用基线向量的姿态来计算多个第二载波相位差Δ₂的元素558。对于第一测量载波相位差Δ₁值中的每一者，使用方程2以及来自对方程3的解的基线向量和单位向量的已知姿态来计算对应的第二或估计载波相位差Δ₂。对于图15所示的系统，方程将为：

并且

其中

和

是第二或估计载波相位差Δ₂值。应当理解，在一些实施方案中，将存在基线向量、GNSS卫星信号以及载波相位差Δ₁和Δ₂的对应测量的更多集合。一般来讲，使用在第一天线和第二天线之间延伸的基线向量的姿态来计算多个第二载波相位差Δ₂包括计算在第一天线和第二天线与多个单位向量中的每个单位向量之间延伸的基线向量的点积，其中多个单位向量中的每个单位向量对应于多个GNSS卫星信号和GNSS卫星信号中的对应一者中的每一者。结果是一组第二或几何载波相位差Δ₂。基于系统的假定几何形状、GNSS卫星位置和基线向量

的姿态来计算第二载波相位差Δ₂。本领域的技术人员将认识到，第一载波相位差和第二载波相位差的计算为迭代过程，该迭代过程可被重复以使计算中的误差最小化，这将增加伪GNSS卫星信号的检测可靠性。

如图9所示的元素554的步骤560包括将多个第二估计几何载波相位差Δ₂与第一测量载波相位差Δ₁进行比较。有许多方式可以将第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂相互比较。在一些实施方案中，对应的第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂是差分的，并且差值被平方并且被平均或求和。在一些实施方案中，该元素涉及从多个GNSS卫星信号中的对应的同一GNSS卫星信号的第二载波相位差Δ₂减去多个GNSS卫星信号中的每个GNSS卫星信号的第一载波相位差Δ₁。在一些实施方案中，使用第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的差值来计算残余误差值。在一些实施方案中，以这样的方式比较第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂，该方式导致对提供对第一载波相位差Δ₁与第二载波相位差Δ₂之间的差值的大小的量度的数值或数集的计算。

图8所示的元素550的实施方案中的元素554的步骤562包括使用多个第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂的比较来确定多个GNSS卫星信号是否包括伪GNSS卫星信号。在GNSS导航系统的正常操作下，第二估计或几何载波相位差Δ₂应使第一或测量载波相位差Δ₁在一些阈值残余误差值或误差界限内匹配。在一些实施方案中，可将第一载波相位差Δ₁与第二载波相位差Δ₂之间的计算的残余误差与阈值残余误差值进行比较以确定第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的差值是否足够大，以指示多个GNSS卫星信号包括至少一个伪GNSS卫星信号。可以以任何方式比较第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂，这允许确定两组值之间的差值是否足够大以指示存在伪GNSS卫星信号。

当存在伪GNSS卫星信号时(姿态系统正在被欺骗)，第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的差值将较大，因为伪GNSS卫星信号中的每个伪GNSS卫星信号将对每个卫星信号产生大致相同的第一载波相位差Δ₁值。当姿态系统正在接收真实GNSS卫星信号时，情况并非如此。这在图16中示出。图16示出了图15的情况，不同的是位置A处的第一天线301和位置B处的第二天线322正在接收图1至图3的欺骗信号142。该实施方案中的欺骗信号142包含三个伪GNSS卫星信号116、117和118，这导致R1(216)、R2(217)和R3(218)的量程值由接收器321计算，如图所示。当这些信号116、117和118的载波相位

被测量和差分时，每个不同伪GNSS卫星信号的第一测量载波相位差值Δ₁在计算精确度内将为相同值或几乎相同的值，并且将不与对应的第二估计或几何载波相位差值Δ₂良好地匹配，该对应的第二估计或几何载波相位差值假定卫星信号源自天空，其中卫星信号将在正常非欺骗情况下源自天空。

例如，并且如图13至图16所示，位置A处的第一天线301与位置B处的第二天线322之间的信号路径长度差取决于GNSS卫星信号的路径相对于基线向量

形成的角度，如图15中可见。卫星通常在天空中的不同点处，并且因此相对于每个基线向量形成不同的角度。在诸如图15所示的没有伪GNSS卫星信号的正常系统中，对于每个GNSS卫星信号，第一测量载波相位差Δ₁和第二几何载波相位差Δ₂将为大致相同的值，并且每个GNSS卫星信号将全部具有不同的相位差值，如图15中由

(350)、

(352)和

(354)的不同长度所示。换句话讲，在正常非欺骗系统中，第二估计或几何计算的载波相位差Δ₂将以小的残余误差来匹配第一或测量的载波相位差Δ₁。

然而，当姿态系统正在接收伪GNSS卫星信号时，第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂将彼此不匹配。第二载波相位差Δ₂将为每个GNSS卫星信号的不同值，如图13中的

(350)、

(352)和

(354)所示，因为姿态确定系统390假定GNSS卫星信号源自天空中的不同卫星，并且将对每个GNSS卫星信号计算不同的第二或几何载波相位差Δ₂。然而，第一载波相位差Δ₁将是如图16所示的每个GNSS卫星信号的相同值，并且将等于如图16所示的公共路径长度差

(356)。伪GNSS卫星信号具有相同的路径长度差，并且因此具有与在位置A和B处的天线中的每个天线处所测量相同的第一测量载波相位差Δ₁值，因为伪GNSS卫星信号源自相同的发射器141。因此，在这种情况下，第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的残余误差将较大。因此，基线向量

的姿态将无解，这将导致第一所测量载波相位差Δ₁和第二几何载波相位差Δ₂之间的小残余误差，并且在欺骗条件下(当正在接收伪GNSS卫星信号时)产生正确的已知基线距离。

在元素562中使用第一测量载波相位差Δ₁和第二估计载波相位差Δ₂之间的该较大差值来确定姿态确定系统390正在接收至少一个伪GNSS卫星信号。当姿态系统诸如系统390正被伪GNSS卫星信号欺骗时，第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的残余误差将较大。大于阈值残余误差值的残余误差指示正在接收伪GNSS卫星信号。将确定多个GNSS卫星信号中的至少一个GNSS卫星信号响应于残余误差值大于阈值残余误差值而为伪GNSS卫星信号。

因此，系统390的接收器321执行计算，从而导致第一测量载波相位差Δ₁和第二估计载波相位差Δ₂的比较，并且基于计算结果来确定系统390是否正在接收伪GNSS卫星信号。在一些实施方案中，基于第一载波相位差Δ₁和第二载波相位差Δ₂之间的差值来计算残余误差。当第一载波相位差Δ₁与第二载波相位差Δ₂之间的残余误差大于预先确定的阈值残余误差值时，系统390确定系统390正在接收伪GNSS卫星信号。

检查姿态系统正在接收伪GNSS卫星信号的该确定的方式是使用对于基线向量为零的预先确定的长度L(图14中的380)来求解基线向量的姿态。该姿态计算的解被称为零长度基线解。如前所述，当系统被欺骗时，接收器将为接收天线中的每个接收天线计算大致相同的GNSS位置。将两个天线之间的基线向量的长度设定为零等同于天线处于相同位置中。因此，使用零长度计算两个天线之间的基线向量的姿态将产生一组第三估计载波相位差Δ₃，该组第三估计载波相位差更好地匹配使用伪GNSS卫星信号测量的第一载波相位差Δ₁。此处，Δ₃将为零，或表现出所有卫星相位差共有的项。零基线解意味着假定两个天线处的量程相同(或包含公共时钟/延迟项)，并且因此量程差值Δ₃为零或共享所有欺骗卫星信号的共同值。

该技术体现在如图10所示的元素554中。元素556、558、560和562如先前所述。元素564涉及使用多个第一载波相位差和基线向量的长度L的预先确定的零值来计算第一天线和第二天线之间的零长度基线解。对于图5和图7的姿态确定系统390，将使用方程4、5和6以及姿态向量

的长度L 380的零值来求解零长度姿态向量

一旦确定零长度基线解

_零，便在方程7、8和9中使用该解来计算多个第三估计载波相位差Δ₃。

元素566包括使用第一天线和第二天线之间的零长度基线解来计算多个第三载波相位差Δ₃。对于该元素，零长度基线解

将用于上述方程7、8和9中以计算多个第三估计载波相位差Δ₃。

元素568包括将多个第一载波相位差Δ₁与多个第三载波相位差Δ₃进行比较。对于利用姿态系统(诸如正在接收伪GNSS卫星信号的姿态确定系统390)进行的计算，第三载波相位差Δ₃值将以小的残余误差与第一载波相位差Δ₁良好地匹配。可使用任意数量的计算来比较第一载波相位差Δ₁和第三载波相位差Δ₃。在一些实施方案中，元素568包括计算多个第一载波相位差Δ₁与多个第三载波相位差Δ₃之间的零长度残余误差。系统390将基于这些计算的结果来确定是否存在伪GNSS卫星信号。当第一载波相位差Δ₁与第二载波相位差Δ₂之间的残余误差大于预先确定的阈值残余误差值，并且第一载波相位差Δ₁与第三载波相位差Δ₃之间的零长度基线残余误差小于预先确定的阈值残余误差值时，系统390的接收器321确定系统390正在接收伪GNSS卫星信号。在该实施方案中，使用零长度基线解、所得第三载波相位差Δ₃和零长度残余误差的计算来确认存在伪GNSS卫星信号的确定。

图20大体示出了使用GNSS导航的船舶100经受欺骗攻击的情况。在图20中，船舶100从多个GNSS卫星103、104和105接收GNSS信号。GNSS信号106、107和108由船舶100上的物理位置102处的天线101接收。GNSS接收器121连接到天线101，并且基于包含在信号106、107和108内的测距信息的测量来计算GNSS接收器121(以及因此船舶100)的位置。在另选的实施方案中，船舶100可具有自动驾驶系统，该自动驾驶系统使用所计算的位置在规定的航道中操纵船舶。

图20还大体示出了GNSS欺骗系统140。欺骗系统140可通过广播来自GNSS模拟器的信号来实现，或者另选地，通过转播在与要欺骗的GNSS系统不同的位置(在本文中称为欺骗目标位置)处接收的实况信号来实现。生成由欺骗系统140生成的欺骗信号以便模拟真正的GNSS信号。欺骗GNSS信号116、117和118在模拟器内生成或从实况GNSS卫星113、114和115接收。包含意在模拟真实卫星传输的多个欺骗信号的复合欺骗信号由欺骗系统140生成，好像其已被天线111接收到那样，该天线位于点132处，该点与预期的欺骗目标110偏移，已知或假定该预期的欺骗目标位于点112处。欺骗目标位置132相对于真实位置112沿两条轴线的偏移被示出为133和134。复合欺骗信号沿着电缆139馈送到信号辐射装置141，该信号辐射装置广播由信号116、117和118构成的复合欺骗信号142。复合欺骗信号142的功率电平使得当由GNSS接收器121的天线101接收时，其使真实GNSS信号106、107和108过功率。因此，欺骗目标GNSS接收器121基于欺骗信号来计算GNSS接收器121和船舶100的不正确位置。该位置122将与GNSS接收器121和船舶100的真实位置102有偏移。这是欺骗系统140的意图，并且通过使用相对于待欺骗的GNSS系统121的已知或假定位置112偏移的位置132来实现。

应当理解，复合欺骗信号沿着电缆139或在广播复合欺骗信号142中的任何传输延迟被视为复合欺骗信号142的所有GNSS欺骗信号116、117和118中的公共时钟延迟，并且该延迟可作为欺骗目标接收器(此处为GNSS系统121)计算的一部分来求解。尽管延迟引起小的、通常不可检测的接收器时钟偏移，但是仍然如欺骗系统140所预期的那样发生位置的欺骗。

图21还大体示出了正在发生GNSS欺骗的情况。然而，在图21中，与在图20中不同，两个天线101和102接收预期(合法)GNSS信号和欺骗信号142两者。应当理解，两个天线101和102可连接到单个GNSS接收器、单独的GNSS接收器，或连接到GNSS姿态或航向系统。GNSS姿态或航向系统可被配置为通过处理到达两个天线的GNSS信号来计算两个天线101和102之间的向量(在本文中称为基线向量)。使用基线向量和几何形状，可得出天线的间距以及诸如航向、滚转和俯仰之类的角度。

欺骗系统140生成欺骗信号，该欺骗信号看起来好像它们已经在天线111处从卫星113、114和115接收到。天线111位于作为欺骗攻击的期望目标位置的位置(即，欺骗系统140希望欺骗的GNSS接收器确定为其实际物理位置的位置)处。欺骗系统140的目的是使到达其他天线(诸如101和102)的GNSS信号看起来与到达111的那些信号相同，以便确定欺骗系统的定位。当欺骗目标接收器使用欺骗信号来对其位置求解时，天线101和102以及耦接到它们的欺骗目标GNSS接收器随后将看起来位于不正确的定位(天线111的定位)，而不是它们的实际位置。

更具体地讲，复合欺骗信号142包含标记来自伪卫星113、114和115的传输时间的定时信息。构成复合欺骗信号142的单独伪卫星信号被构造成使得看起来已经从伪卫星113、114和115到达天线111。因此，隐含在这些信号中的是卫星113、114和115与天线111之间的量程216、217和218。复合欺骗信号142沿着电缆139发送，然后通过发射器141转播到天线101和102。然后，天线101和102将看起来(基于复合欺骗信号142)已经在天线111的位置处而不是在其实际位置处接收到信号。耦接到天线101和102的GNSS接收器处理复合欺骗信号142，并且计算量程216、217和218，这些量程是卫星113、114和115中的每一者与天线111之间的量程。这些量程表示为R1、R2和R3。

非欺骗GNSS信号被示出为由GNSS卫星103、104和105广播。来自这些卫星的GNSS信号沿着路径206、207和208行进到位于点A处的天线101。另外，来自卫星103、104和105的GNSS信号沿着路径209、210和211横向于位于点B处的天线102。在正常操作期间(不存在欺骗信号)，连接到天线101的GNSS接收器将测量量程r1、r2和r3，并且计算与点A大致重合的位置(达到耦接到天线101的GNSS接收器的精确度)。此外，在正常操作期间，连接到天线102的GNSS接收器将测量量程r’1、r’2和r’3(其不同于r1、r2和r3)并计算与点B大致重合的位置。来自连接到天线101和102的GNSS接收器的两个计算位置在正常操作下将是不同的。连接到A和B处的天线的GNSS姿态系统可被配置为计算两个天线101和102之间的基线向量。

在欺骗情况期间，欺骗信号142使真正的GNSS信号过功率。如图21所示，欺骗信号142由分别位于点A和B处的天线101和天线102两者接收。连接到这两个天线的GNSS接收器或GNSS姿态或航向系统将确定天线101和102中的每一者的R1、R2和R3的量程(如同由天线111接收的那样)，而不是分别确定到天线101和102的实际量程(r1、r2、r3)和(r’1、r’2、r’3)。由于两个天线101和102从欺骗信号142接收到相同量程，因此连接到这两个天线101和102的GNSS接收器和/或姿态系统将为天线101和102中的每一者计算基本上相同的位置。天线101和102之间的任何基线向量在欺骗下将看起来具有零长度(假设计算中使用的所有信号被欺骗)。然而，在正常操作(无欺骗)下，用于天线101和102的位置的GNSS解应示出在不同物理位置中的天线，因为一个天线物理地在点A处，而另一个天线物理地在点B(不同点)处。因此，使用多个天线的GNSS接收器或姿态系统随后提供用于检测欺骗的装置。如果当计算天线101和102的位置的解时，或者在确定天线101和102之间的基线向量的解时，天线出现在相同的位置处或者基线向量具有零长度，则可能对该解中使用的信号发生欺骗攻击。

应当理解，欺骗信号可横向于不同路径221和222以行进到天线101和102。由于路径221和222之间的路径长度的差异以及所得的信号行进时间的差异，处理到达天线101的欺骗信号142可能导致与通过处理到达天线102的欺骗信号142所获得的接收器时钟偏移估计不同的接收器时钟偏移估计。然而，应当理解，使用欺骗信号142计算的天线101和102中的每一者的计算位置将基本上相同(在接收器的精确度内)。

相对于上述基线向量，GNSS姿态系统可被配置为在两个或更多个天线处进行码和/或载波相位测量以计算天线之间的基线向量差。应当理解，该向量限定天线布置的姿态。可对在天线处从属于一个或多个GNSS星座的GNSS卫星接收的信号测量码和载波相位。GNSS星座的示例包括GPS、GLONASS、北斗、Galileo、QZSS和IRNSS。应当理解，信号可在不同载波频率上发送。例如，GPS卫星分别利用1575.42MHz、1227.6MHz和1176.45MHz的载波来广播其L1CA、L2P和L5信号。

还应当理解，欺骗攻击可能会将一个或多个GNSS星座作为目标。此外，欺骗可能发生在一个或多个信号类上。例如，GPS L1可能被欺骗，并且L2和L5保持未被欺骗。另选地，GPS和GLONASS卫星可分别在L1CA和G1信号上被欺骗。出于本说明书的目的，术语“信号类”用于指定载波频率、信号结构和数据编码方法类似的信号集。在一些情况下，GNSS星座各自具有其自身唯一的信号类集。接收器独立交换格式(RINEX)版本3.03包含描述现今使用的大多数GNSS星座、载波频率和信号编码方法的表。

图17描绘了根据一个实施方案的沿单位向量612的方向上的路径从卫星601广播到天线603的载波信号602。载波信号是正弦的并且在表示载波的周期的点605、606和607处重复。卫星601和天线603之间存在大量整数周期。载波信号611的波长是载波的一个周期的距离，其也是任意两个重复点605和606之间的距离。GPS L1信号的波长λ为约19厘米，并且对于大多数GNSS信号，在约1/5米至1/4米的范围内。GNSS姿态系统测量分数波长604，通常在小于一厘米的精确度内，并且通常低至毫米级。通过将载波的周期乘以波长以获得以米为单位的量程，将载波信号用作天线和卫星之间的量程的量度。载波相位量程测量由于其高精确度而优于码相位测量。

姿态解的一部分涉及求解当载波相位在天线之间差分时产生的整数载波周期的数量。该整数通常被称为整周模糊度，因为载波跟踪在载波相位的任意整数处开始。整周模糊度解在本领域中是已知的，并且在数学上通常非常密集。如果天线间隔非常近(大约为载波波长的1/2)，则可简化整数载波周期的解，因为可容易地选择整数以确保小于一个周期的差。短天线基线(天线之间的距离)避免了复杂的模糊度搜索，这可能有益于可靠地检测欺骗，并且在希望避免整周模糊度确定的复杂性时是有益的。即使在1/2周期长度基线上，载波相位测量也仍然提供足够的精确度，从而避免了如先前图3所示的由不准确测量引起的问题。

图18A和图18B大体示出了根据实施方案的从GNSS姿态或航向系统中的GNSS卫星到达以用于欺骗检测的信号。

在图18A中，天线A和天线B被示出为由被称为403的基线向量

隔开。信号401和402分别沿路径

和

从卫星400到达天线A和天线B。几何形状未按比例示出，因为与天线A和天线B之间的距离相比，位于S处的卫星400与天线A和天线B相距非常长的距离(在地球轨道中相距数千千米)，天线A和天线B之间的距离可仅相隔几厘米至几十米。

图18B总体上示出了在未示出卫星S(其距离天线A和B非常远)的情况下天线A和B在不同比例的几何形状。如图18B所示，出于实践和计算目的，向量

和

(源自卫星并且在天线A和B处结束)由于卫星S与天线A和天线B之间的极长距离而平行。示出了来自卫星的单位向量

并且其平行于

和

两者。

本实施方案的姿态系统采用载波相位的差分测量。从卫星S到两个天线A和天线B的信号传输路径的差包含几何分量，该几何分量是向量

和

之间的长度差。该几何信号路径差

可被示出为

其中

为基线向量403。应当理解，在具有三个或更多个天线的姿态系统中，存在多个基线向量。姿态系统通过对在天线A和天线B处测量的载波相位观察结果进行差分来进行

的测量。然后，其使用来自多个卫星的差分载波相位的多个测量来求解向量

从而也可能求解载波相位整周模糊度。

图19大体示出了根据实施方案的双天线姿态系统，其中从来自卫星541、542和543的信号进行多个载波相位测量。信号源自卫星并沿着路径511到达天线A。量程向量

和

沿这些路径示出。类似地，源自卫星541、542和543的信号512到达天线B，从而采取基本上与针对到达天线A的信号所采取的对应三个路径511平行的三个路径。从卫星到天线B的向量被表示为

和

示出了天线A和B之间的基线向量503，并且将其表示为

天线A和天线B之间的对应几何信号路径长度差取决于信号的路径与

形成的角度。应当理解，卫星通常在天空中的不同点处，并且因此相对于

形成不同的角度。分别示为521、522和523的差分路径长度

和

都具有不同的值。在姿态系统中，这些值(称为差分载波相位测量)通过首先差分在天线A和天线B处获取的载波相位测量(例如通过相减来确定它们之间的差)来确定。这些载波相位测量结果通常具有必须考虑的整数周期模糊度和时钟项。对整数周期模糊度求解的方法是本领域已知的，这些技术在文献中以实时动力学(或RTK)和模糊度解算的主题讨论。

使用差分载波相位测量，使用代数最小二乘法或卡尔曼滤波器求解基线向量

并且可能包括整周模糊度解算。一旦求解

并且考虑到模糊度和时钟差，以下方程0将成立，并且差分载波相位测量结果将与

和

的几何值一致到载波相位测量的精确度，该精确度通常低于一厘米。应当理解，几何值是使用GNSS姿态系统的实际距离和角度由几何形状计算的。

使来自卫星S的信号的载波相位观察与在天线A和天线B处测量的信号的载波相位观察的差值被表示为

可用以下方程分析载波相位差

其中，在方程的左边，我们具有

(在天线A和天线B处测量的载波相位之间的差值，以长度单位诸如米表示)，并且在方程的右边，我们具有以下所述：

接收天线A和天线B之间的载波相位几何传输路径差，对于远处的发射源，该载波相位几何传输路径差由

给出；

N，整数载波周期模糊度；

λ，载波波长；

e，测量噪声(诸如接收器热噪声和多路径)和对所测量的载波相位差(在本文中也称为误差项)的大气影响的组合；

T，以时间为单位的时钟项；以及，

c，光的速度。

如果不同的接收器时钟用于天线A天线B处的测量，则T可以包括接收器时钟的差异。时钟项T还包括由于RF电缆长度差和分量组延迟差而引起的天线A和天线B的路径之间的RF路径长度差。由于组延迟效应在不同频率下采取不同值，T对于不同信号类可为不同的，但通常对于特定信号类，诸如L1-GPS，T对于该信号类的所有载波相位测量基本上相同。通常，在实践中，cT被视为一个量，其以长度而不是时间为单位。

应当理解，误差项“e”通常较小。当天线的A和B仅分开几米或几十米时，大气影响基本上抵消。此外，良好设计的系统将具有低多路径噪声和热噪声，并且因此，e将较小(与载波波长λ相比至少显著较小)。

我们可根据误差将载波相位差方程明确地重新排列为

其中

此外，我们可能不会确切地知道基线向量

的长度和取向，而是可通过同时求解涉及来自不同卫星的多个载波相位差的方程组来对其进行估计。即，对于卫星S1、S2、S3、S4等，我们求解诸如以下的方程组：

其中

我们知道，误差项e₁、e₂、e₃…较小，因此，我们可求解使误差平方和最小化的基线向量

该误差总和被表示为Se，其中

在求解基线向量

的过程中，我们还可以求解T(或cT)和整周模糊度N₁、N₂、N₃、N₄…这使用本领域已知的诸如最小二乘法和模糊度解算之类的方法来实现。

应当理解，当在解算中使用多个信号类(例如，GPS L1信号和GPS L2信号)时，我们通常将对每个信号类具有不同且唯一的T。在一些实施方式中，在特定信号类内的两组单差方程之间形成双差，并且在这种情况下，T将抵消，并且不需要求解。

继续，我们取

为通过求解上述误差方程获得的基线向量

的估计值。基于该估计的基线向量，取

为天线A和天线B之间的估计的传输路径差，使得

对于卫星Si，我们可以根据估计的传输路径差来表示e_i。从实际误差方程

开始，并且代入实际路径差的传输路径的估计值，我们得到

其中由于估计基线向量而产生的误差

为

如果我们已经很好地估计了到卫星u^si的基线向量

以及单位向量，则这个估计误差通常较小。

使拟合后残差res_i由估计误差和噪声项构成。即

然后，拟合后残差为

其中

假设Ni和cT是已知的或已正确求解的，并且

是真实基线

的准确估计，则估计的信号传输路径差

将与真实信号路径差紧密匹配，并且拟合后残差res_i将较小。

估计的基线向量与所有测量的相位差一致程度的一个量度是各种残差项的平方和。

在上述方程中，几何信号路径差

是重要的量。由于发射GNSS卫星的位置的多样性，这些路径差的量值通常具有高多样性。每个卫星Si发射相对于基线向量

具有唯一到达角的信号。在图19中，我们看到被描绘为521、522和523的这些传输路径差。它们被示出为对于每个信号具有不同的值，这取决于信号到达角。

项的量值的高度多样性是所公开的欺骗检测系统中的关键概念。

现在考虑如果姿态系统欺骗则发生什么情况。再次参考图19，欺骗信号526、527和528都从位于发射器141处的公共点C到达。如果点C离天线A和天线B足够远，则欺骗信号以基本上相同的角度到达天线A和天线B。这些欺骗信号由欺骗系统生成，使得它们看起来具有路径长度R₁、R₂和R₃加上公共传输路径长度。路径长度R₁、R₂和R₃在传输信号中被视为与量程成比例的码相移和载波相移。姿态确定系统在天线A和天线B处测量这些信号中的每个信号的载波相位，然后(在这种情况下，通过减法)差分所测量的载波相位。量程R₁、R₂和R₃在差分过程(其对两个天线处测量的量程进行差分)中抵消，因为它们在每个天线中被测量为相同的值。因此，每个载波相位差536、537和538应具有相同的值

该值是天线A和天线B之间的由欺骗信号141横穿的公共路径长度差。

当伪GNSS信号来自单个欺骗发射器时，在两个天线处测量的载波相位的差将表现出共同的几何值

而不是唯一且不同的值

和

如不存在欺骗时看到的。我们注意到，载波相位差还可包含模糊度和时钟项，但这些可在解算期间被考虑。

在存在欺骗的情况下载波相位差缺乏多样性将使得欺骗在多天线姿态系统中是可检测的。即使欺骗信号意在模拟具有单独量程526、527和528的单独卫星传输，天线A和B之间的几何路径长度差536、537和538也是相同的。这与真实信号路径差521、522、523不同。

当在不假设欺骗发生的情况下评估每个拟合后残差时，我们将几何相位差项设定为

其中

是到假定卫星广播信号Si而不是欺骗发射器141的向量。

残差方程以方程1给出，并且在此重复

所有残差方程每个方程都具有唯一的

但在欺骗下，它们将需要全部使用欺骗信号路径差

来正确地对欺骗延迟建模。由于使用假定

项对欺骗信号不正确地建模，因此残差将变得较大。

如果从具有基线向量

的姿态系统获得的拟合后残差变得大于基于预期测量噪声级的预期值，则欺骗可存在于一个或多个信号类上。残余大小的量度，诸如方程2，可与预期阈值进行比较，当超过该预期阈值时，触发其他动作以处理欺骗攻击。

在本实施方案中，基线向量

可通过使用本领域已知的方法求解误差方程的姿态系统来获得，它可以从过去的测量中已知，它可以是已知的，因为天线在预先确定的取向上简单地静止，或者其可通过其他方式来测量。整周模糊度和时钟项也可以被求解，或者可以从先前的计算中获知。

继续参考图19，在另选的实施方案中，姿态确定系统首先假设正在发生欺骗，然后对残差方程进行必要的调整以正确地对多个天线之间的欺骗信号路径延迟进行建模。为了在假设欺骗场景下实现小残差，系统不再假设信号来自GNSS卫星的不同几何分布。相反，系统假设信号来自公共传输源。在这种情况下，单个公共信号差分路径延迟被代入所有残差方程，并且残差方程变为

对于卫星S1、S2、S3…，我们将因此具有

使公共几何形状和时钟按项D分组在一起，使得

我们具有

或一般来讲(我们将其称为“零基线”假设)

方程4与当基线向量被假定为零(天线A和天线B均在相同位置)时在姿态系统中将具有的相同。这是因为几何信号路径差

可与时钟集总在一起，如

所示，从而导致方程4中没有几何项。换句话讲，方程4看起来像方程2，其中时钟项cT替换为D，并且几何项设定为零，如果基线长度为零，将是这种情况。我们将参考方程4作为零基线假设。

零基线方程4的解等于载波相位，然后移除任何公共时钟项(通过例如双差分，并且还移除整周模糊度，使得残差最小化)。

当怀疑欺骗时，我们可以在计算残差时进行零基线假设。拟合后残余误差的量度可在方程2中找到，但使用方程4的零基线残差找到。

如果可以找到整周模糊度N₁、N₂、N₃…和D，使得方程5产生小量度M_spoof，则这是欺骗的指示。

应当理解，可使用双差来消除时钟项D。例如，

或更紧凑地

其中res_spoof_dd_ik＝(res_spoof_i-res_spoof_k)

以及

N_ik＝(N_i-N_k)

并且残余误差的欺骗量度将以双差残差表示。

通常，无论何时怀疑欺骗，残差的零基线(或欺骗)量度都可由姿态系统使用方程5(或双差版本，方程7)计算。为了完成该任务，首先计算方程4的Ni和D项，以最小化方程4或方程6的零基线假设的残差。可应用各种方法来执行这种最小化，这对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。在一个实施方案中，计算双差测量，并且通过将测量舍入到最接近的整数来求解整周模糊度。给出残余误差指示的其他量度也是可能的。例如，可在方程5或方程7中使用绝对值来代替平方。

在实施方案中，零基线残差方程和残余误差的对应量度不是针对所有GNSS信号载波差观察计算的，而是仅针对与疑似被欺骗的特定类信号相对应的那些信号计算的。在其中不清楚哪些信号可能被欺骗的另选实施方案中，以零基线假设来评估每类信号，以确定哪类信号产生残余误差的小量度。在零基线假设下确定为具有残余误差的较小量度的那些信号可能是欺骗类的信号。

概括地说，一旦获得姿态解，姿态确定系统就可以通过监测和评估如方程1和方程2中确定的残余误差来检查可能的欺骗。如果姿态系统确定残余误差看起来大于预期，则姿态解中使用的GNSS类信号中的一个或多个信号上的欺骗可由姿态系统确定和处理。为了确认每类信号的欺骗，姿态确定系统使用零基线假设来计算如方程5或方程7中所确定的残余误差的量度。如果姿态系统确定特定类信号的残余误差的零基线量度较小，则在该类中预期会出现欺骗。然后可从未来姿态解计算中移除该类信号，使得姿态确定系统仅使用非欺骗类信号。为了确定是否正在发生欺骗，还可将残余误差与预先确定的阈值进行比较。可基于测量的或假定的噪声以及预期测量误差的其他来源来选择阈值。阈值被选择为足够小，使得残余误差与阈值的比较最小化产生欺骗“伪警报”的可能性，但足够大，使得仍可检测到欺骗。可利用实际测试数据以实验方式选择阈值。

零基线假设情况下计算残差的过程的总结如下：

1.在两个天线处的测量之间形成载波相位差；

2.从载波相位差中移除模糊度，留下无模糊度的一组新差。

3.然后从无模糊度的差中移除共同偏差项，留下一组新的无偏差和模糊度差。

4.对这些无偏差和模糊度差求平方并且求和以形成残余和平方误差。

5.测试所得的残余和平方误差以查看其是否低于预先确定的阈值。

在非零基线情况下，在计算残余误差之前，可存在求解和移除几何项的附加步骤。如果几何项还未知，则需要确定几何项。如果基线取向是已知的，或者已经通过过去的测量确定，则解算相对容易。它只是基线向量与沿卫星视线方向的单位向量的点积，诸如上文通过方程

所述。然而，如果基线取向未知，则存在本领域已知的用于确定基线取向的各种方法。一种方法将是作为最小二乘搜索过程的一部分来求解组合的基线向量取向、模糊度和偏差，诸如用于求解未知周期模糊度的λ方法。对解(诸如已知基线长度)的约束可能使得难以找到一组明确是最佳选择的模糊度。这可以是欺骗本身的指示，该欺骗可以与零基线假设交叉检查。如果基线向量的解算成功，则可如上计算几何项，并且形成残余误差。假设可以确定几何项，则解算可包括以下步骤

1.在两个天线处的测量之间形成载波相位差；

2.使用基线向量的已知取向或计算取向连同卫星的位置，计算几何项。

3.通过从载波相位差中移除模糊度、偏差项和几何项来形成残差。

4.对这些残差求平方并且求和以形成残余和平方误差

5.测试所得的残余和平方误差以查看其是否高于预先确定的阈值。

如果模糊度、偏差和向量取向同时求解，则上述方法可能无法产生具有高置信度的有效解。这不仅可通过大的残余误差，而且通过其他指示而变得显而易见，诸如在使用诸如λ最小二乘法之类的方法时不能获得清楚的模糊度选择。当作为解算的一部分求解取向时，步骤如下：

1.在两个天线处的测量之间形成单载波相位差或双载波相位差；

2.使用最小二乘法尝试模糊度、基线向量和偏差的解

3.如果解未能产生作为清楚的明显最佳选择的一组模糊度，则在某种意义上，对于不同组模糊度，和平方残余误差小于任何其他和平方残余误差，则

4.如上所述，测试具有零基线假设计算残差和残差和平方和误差的卫星的类别

5.将零基线假设和平方残余误差与预先确定的阈值进行比较

应当理解，在各种实施方案中，包括上面讨论的零基线和非零基线情况，可组合步骤，使得例如模糊度、偏差和几何项可由GNSS姿态系统同时求解。

应当理解，在各种实施方案中，几何项可从姿态角度(如果是多个基线系统，则为偏航、俯仰和可能的滚转)和基线长度得出。向量

完全由两个角度，向量的偏航和俯仰以及其长度指定。卫星S的几何项是

计算几何项的过程可以涉及求解姿态角和基线长度(这可能是已知的)。

虽然所讨论的实施方案主要涉及载波相位测量，但应当理解，当使用码相位测量而不是载波相位测量时，可应用上文概述的方法。采用码相位优于载波相位的一个优点是测量中不存在模糊度。采用码相位的缺点是其不如载波相位那样精确，并且码相位数据将具有大得多的测量误差，诸如多路径引起的误差和跟踪误差。为了确保在测试码相位残余误差的量度时(在正常姿态解中或在零基线解中)这些误差不会被误认为欺骗，需要天线之间的大得多的基线。这使得天线A和B之间的几何路径差充分大于与使用不太精确的码相位测量相关联的误差。

尽管上文所讨论的实施方案主要集中在两个天线实施方式上，但应当理解，在另选的实施方案中，可针对姿态解和零基线解两者采用多于两个天线。如果采用多于两个天线，则可针对零基线假设来评估任何天线对之间的任何基线。

应当理解，如果预先知道天线的取向和间距，则不需要计算姿态解。仍然可以使用已知的基线向量计算残余误差。然后可使用其大小的量度来测试残余误差。也可测试零基线假设，即使已知基线不为零。在欺骗条件下，在非零基线天线之间测量的相位差将看起来好像来自零基线天线配置。

本文描述了用于确定伪GNSS卫星信号的存在的多个系统和方法。根据本发明的一些实施方案的系统使用至少两个天线来从多个GNSS卫星接收多个GNSS卫星信号。对GNSS卫星信号的GNSS卫星码或载波相位

进行测量。GNSS卫星码或载波相位

测量用于多种计算以检测伪GNSS卫星信号的存在。检测GNSS卫星系统的方法的各种实施方案包括计算到GNSS卫星的量程，天线的GNSS位置，天线对之间的基线向量的姿态，GNSS卫星信号在成对天线处的第一测量载波相位差和第二估计载波相位差，残余误差，以及与假定零基线配置的比较。这些测量和计算用于检测伪GNSS卫星信号的存在，使得正在使用该系统的运载工具或装置不会从伪GNSS卫星信号被误导，或提供不正确的时间数据。应当理解，根据本发明的实施方案，本文所述的系统、方法、计算和元素可以以许多不同形式使用，并且不限于本文档中描述的示例。基于本文档中的示例和描述，许多变型形式对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

本文所阐述的实施方案和示例的展示是为了最好地阐释本发明的实施方案及其实际应用，并因此使本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明的实施方案。然而，本领域的普通技术人员将认识到，以上描述和例子只是为了举例说明和示例的目的而展示。所阐述的描述无意为穷举性的，也无意将本发明的实施方案限于所公开的精确形式。鉴于以上教导，在不脱离随附权利要求书的精神和范围的情况下，许多修改和变化都是可能的。

Claims

1.一种使用全球导航卫星系统(GNSS)姿态确定系统来检测伪GNSS卫星信号的方法，所述方法包括：

在GNSS姿态确定系统的第一天线处从多个卫星接收GNSS卫星信号；

在GNSS姿态确定系统的第二天线处从所述多个卫星接收GNSS卫星信号；

在所述GNSS姿态系统中测量在所述第一天线处接收的多个所述GNSS卫星信号的第一信号相位值；

在所述GNSS姿态系统中测量在所述第二天线处接收的多个所述GNSS卫星信号的第二信号相位值；

在所述GNSS姿态系统中确定对应第一信号相位值和第二信号相位值之间的相位差，其中对应信号相位值是由所述GNSS姿态系统的所述第一天线和所述第二天线从相同卫星接收的信号相位值；

在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差以确定所确定的相位差的残余误差，其中所述基线向量和包括所述基线向量的几何项被假定为具有零值；

在所述GNSS姿态系统中将所述残余误差与预先确定的阈值进行比较以确定残余误差的量度是否低于预先确定的阈值；并且

如果残余误差的所述量度低于所述阈值，则将所接收的GNSS卫星信号识别为所述GNSS姿态系统中的欺骗信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差以确定所确定的相位差的残余误差的所述步骤包括以下步骤：

处理所确定的相位差以移除整周模糊度；

处理所确定的相位差以移除共同偏差项；

对无偏差和模糊度的相位差求平方；并且

对所述平方的相位差求和以提供残余误差。

3.根据权利要求2所述的方法，其中处理所确定的相位差以移除整周模糊度以及处理所确定的相位差以移除共同偏差项的所述步骤在所述GNSS姿态系统中同时进行。

4.一种用于检测伪全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号的系统，所述系统包括：

在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差的第一子集以确定所确定的相位差的残余误差的第一非零基线量度，其中在所述处理期间，所述第一天线和所述第二天线之间的所述基线向量被假定为非零；

在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差的第二子集以确定所确定的相位差的残余误差的第二零基线量度，其中在所述处理期间，所述第一天线和所述第二天线之间的所述基线向量被假定为零；并且，

在所述GNSS姿态系统中评估残余误差的所述第一非零基线量度和残余误差的所述第二零基线量度，以确定是否正在接收伪GNSS卫星信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述GNSS姿态系统中评估残余误差的所述第一非零基线量度和残余误差的所述第二零基线量度的所述步骤还包括以下步骤：

将残余误差的所述第二零基线量度与第一预先确定的阈值进行比较，以确定其是否低于所述第一预先确定的阈值；

将残余误差的所述第一非零基线量度与第二预先确定的阈值进行比较，以确定其是否高于所述第二预先确定的阈值；并且

如果残余误差的所述第二零基线量度低于所述第一预先确定的阈值并且残余误差的所述第一非零基线量度高于所述第二预先确定的阈值，则确定正在接收伪GNSS卫星信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其中在所述GNSS姿态系统中评估残余误差的所述第一非零基线量度和残余误差的所述第二零基线量度的所述步骤还包括以下步骤：

将残余误差的所述第二零基线量度与残余误差的所述第一非零基线量度进行比较，以确定所述两个量度之间的差值；并且

如果残余误差的第一非零基线量度超过残余误差的所述第二零基线量度超出预先确定的量，则确定正在接收伪GNSS卫星信号。

7.一种使用全球导航卫星系统(GNSS)姿态确定系统来检测伪GNSS卫星信号的方法，所述方法包括：

在GNSS姿态确定系统的第一天线处从多个卫星接收多个类别的GNSS卫星信号；

在GNSS姿态确定系统的第二天线处从所述多个卫星接收多个类别的GNSS卫星信号；

在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差以确定所确定的相位差的第一残余误差；

在所述GNSS姿态系统中评估所述第一残余误差以识别与预先确定的阈值相比具有较大第一残余误差的信号的类别；

在所述GNSS姿态系统中对于具有较大第一残余误差的信号的所识别类别中的每个类别计算第二残余误差，其中所述第二残余误差通过假设所述第一天线和所述第二天线之间的零长度基线来确定；

在所述GNSS姿态系统中评估所述第二残余误差以识别与预先确定的阈值相比具有较小第二残余误差的信号的类别；

将具有较小第二残余误差的信号的所识别类别分类为伪GNSS信号；并且，

从GNSS姿态系统姿态解计算中消除所分类的伪GNSS信号。

8.一种使用全球导航卫星系统(GNSS)姿态确定系统来检测伪GNSS卫星信号的方法，所述方法包括：

在所述GNSS姿态系统中确定所述GNSS姿态系统及其第一天线和第二天线的几何项；

在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差和所确定的几何项以确定所确定的相位差的残余误差；

在所述GNSS姿态系统中将所述残余误差与预先确定的阈值进行比较以确定残余误差的所述量度是否为高于所述预先确定的阈值的较大残余误差；并且，

如果残余误差的所述量度为高于所述阈值的较大残余误差，则将所接收的GNSS卫星信号识别为所述GNSS姿态系统中的欺骗信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述GNSS姿态系统中处理所确定的相位差以确定所确定的相位差的残余误差的所述步骤包括以下步骤：

处理所确定的相位差以移除整周模糊度；

处理所确定的相位差以移除共同偏差项；

对无偏差和模糊度的相位差求平方；并且

对所述平方的相位差求和以提供残余误差。

10.根据权利要求9所述的方法，其中处理所确定的相位差以移除整周模糊度以及处理所确定的相位差以移除共同偏差项的所述步骤在所述GNSS姿态系统中同时进行。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述几何项基于偏航、俯仰、滚转以及所述第一天线和所述第二天线之间的基线长度来确定。

12.根据权利要求2所述的方法，其中双差分用于处理所确定的相位差以移除共同偏差项。