CN112882068A - 基于多接收机的gnss抗欺骗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法。本发明利用伪距信息对欺骗干扰进行检测、欺骗信号识别以及部分欺骗干扰情况下定位欺骗源，避免了复杂的设备需求，利用多个接收机协同即可实现，具有实现成本低、计算量小、实现较简单等优点，适用范围较广；只需伪距信息即可实现对欺骗干扰的检测、识别及干扰源定位。同时，本发明的欺骗干扰源定位方法易于与其他抗欺骗方法联合应用。

Description

基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法

技术领域

本发明涉及卫星导航抗欺骗干扰技术领域，具体涉及一种基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法。

背景技术

卫星导航系统在全球范围内提供精确的位置、速度、时间(Position、Velocityand Time，PVT)信息，具有一系列优点，包括：不易受气候影响、全球覆盖率达到98％、快速、高效、实时等，自面世以来得到了十分广泛的应用，涵盖了军事、航空、商业、通信等各个方面，为运输、测绘、救灾减灾等各行各业的问题提供了解决方案。

然而，人造卫星轨道高度较高，导航信号由卫星发出到达导航接收机时，信号强度已经比较微弱，在信号传播过程中，会受到各种环境因素的干扰，极大地影响了导航定位及授时服务的精度。目前，抗干扰是全球导航卫星系统所面临的几个主要问题之一，而在各种不同类型的干扰中，欺骗干扰是危害较大的一种干扰类型。

近年来，众多国内外学者针对欺骗干扰的检测和识别进行了大量的研究，而对于欺骗干扰源的定位研究相对较少。目前，在欺骗干扰的检测和识别方面，大部分的欺骗干扰及识别算法是利用信号的特性进行的，而信号的空间特性是十分重要的特征，可以根据欺骗信号被转发后的均来自同一方向，与真实信号不同，对欺骗干扰进行检测，但现有利用角度进行检测的方法需要利用天线阵，对信号到达角度的测量需求较高，实现复杂度较高；而利用伪距或多普勒等信息进行检测的方法则仅能进行检测，无法对欺骗干扰信号进行识别，且对于只有部分卫星信号是欺骗信号的情况检测性能较差。同时，在欺骗干扰源的定位方面，利用到达角进行欺骗源定位的算法同样对角度测量精度要求较高，有复杂的设备需求，且需要地表的精确信息或只能得到欺骗干扰源与接收机的相对位置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，利用多个接收机协同即可实现，具有实现成本低、计算量小、实现较简单等优点，适用范围较广；且只需伪距信息即可实现对欺骗干扰的检测、识别及干扰源定位。

本发明的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，包括如下步骤：

步骤1，采用多个接收机同时接收卫星信号并分别进行各自的定位解算；

步骤2，构造观测量1和观测量2；其中，检测量

为：

检测量

为：

其中J、K表示观测到的任意的两颗不同的导航卫星，M、N表示任意的两个不同的接收机；

为接收机M、N对应卫星J、K的伪距双差；

为根据接收机的定位结果反算的卫星J、K与接收机M、N之间的真实距离双差；

为接收机M、N对应卫星J、K的钟差双差；

步骤3，判断检测量2是否大于设定的门限A，若是，则接收到的卫星信号中，有部分是欺骗干扰信号，执行步骤5；若否，则执行步骤4；

步骤4，判断检测量1是否大于设定的门限B，若是，则接收到的卫星信号均为真实信号，接收机的定位结果正确，输出正确的定位结果；若否，则接收到的卫星信号均为欺骗干扰信号，无法得到正确的定位结果；

步骤5，构造检测量

对卫星J和卫星K分别进行欺骗干扰识别；其中，

为t₀、t₁时刻，接收机M、N对应卫星k的伪距双差，

为t₀、t₁时刻，接收机M、N对应卫星k的时钟钟差双差；若检测量3小于设定的门限C，则该卫星的信号为欺骗干扰信号；若检测量3大于或等于门限C，则该卫星的信号为真实信号；

步骤6，剔除欺骗干扰信号卫星，利用真实信号卫星重新进行定位，获得正确的定位结果。

较优的，包括4个以上接收机，任意挑选2个接收机执行步骤1～6，识别出欺骗干扰信号卫星；

任意选取4个以上的接收机根据真实信号卫星重新进行定位，获得正确的定位结果；根据各接收机的正确的定位结果，以及识别出的欺骗干扰信号卫星到各接收机的距离差，构成方程组，对方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

较优的，利用Chan算法对所述方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

较优的，接收机数量为4时，结合其他的先验条件确定方程组的解。

较优的，所述接收机两两之间的距离为10～1000m。

较优的，所述步骤1中，采用最小二乘法法进行定位解算。

有益效果：

本发明利用伪距信息对欺骗干扰进行检测、欺骗信号识别以及部分欺骗干扰情况下定位欺骗源，避免了复杂的设备需求，利用多个接收机协同即可实现，具有实现成本低、计算量小、实现较简单等优点，适用范围较广；只需伪距信息即可实现对欺骗干扰的检测、识别及干扰源定位。同时，本发明的欺骗干扰源定位方法易于与其他抗欺骗方法联合应用。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明方法的双接收机转发式欺骗干扰检测模型示意图。

图3是本发明方法的双接收机转发式欺骗干扰识别模型示意图。

图4是本发明方法的多接收机转发式欺骗干扰源定位模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明为了克服已有技术对设备复杂度需求较高的问题，提供了一种基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，方法流程图如图1所示，包括如下步骤：

S1：判断接收机接收到的卫星数是否大于4，是否可以进行最小二乘法定位解算，若是，则继续，执行S2；否则，进入下一历元，重复S1；

S2：选取任意两个接收机，利用接收到的卫星信号携带的数据进行定位解算，得到该两个接收机的定位结果；

S3：任意选取其接收到的两颗卫星的信号构造观测量

和观测量

欺骗干扰模型如图2所示，构造的两个检测量的计算公式分别为：

其中J、K为两颗不同的导航卫星，M、N为两个接收机，

为两个接收机对应两颗卫星的伪距双差，

为根据接收机的定位结果反算的两颗卫星与两个接收机之间的真实距离的双差，

为两个接收机对应两颗卫星的钟差双差：

式中，

为进行定位解算后计算得到的接收机M距离卫星J的距离，

以此类推，

和

为几何距离测量的误差值，主要来源于定位解算过程中的的定位误差。

c为光速。

在仅有真实信号存在的情况下，检测量1为：

检测量2为：

和

为根据定位结果计算的接收机与卫星间的距离，

和

为距离的误差值，

和

代表伪距的测量噪声。此种情况下检测量1是一个不为0的值，检测量2是较小的、接近0的值。

在部分卫星信号是欺骗干扰信号的情况下，存在选择构造检测量的信号是两个真实信号、一个真实信号一个欺骗信号、两个欺骗信号三种情况，分析可知三种情况下检测量2的大小均与真实情况不同。

在所有卫星信号均为欺骗干扰信号的情况下，检测量1为：

检测量2为：

此时，检测量1是接近零的值，检测量2也是接近零的值。

表1为几种不同情况下检测量情况的总结。

表1不同情况下检测量情况总结

根据表1分析结果，当检测量2较大时，为部分欺骗干扰情况，当检测量1、2均较小时，为全部信号均为欺骗信号的情况，检测量1、2检测门限可以根据不同环境下的不同误差情况进行分别设定。如，将检测量1的门限设定为0.1，则认为小于0.1为检测量1接近零，大于或等于0.1为不为零，将检测量2的门限设定为0.45，则认为小于0.45为检测量2接近零，大于或等于0.45为不为零。

S4：判断检测量2是否大于门限，若是，则接收机接收到的信号中，有部分是欺骗干扰信号，需继续进行双接收机欺骗干扰信号识别，执行S6；若否，则要么全部真实，要么全部欺骗，需要结合检测量1继续进行判断，执行S5；

S5：判断检测量1是否大于门限，若是，则接收到的卫星信号均为真实信号，接收机的定位结果正确，输出正确的定位结果；若否，则接收到的卫星信号均为欺骗干扰信号，执行步骤S7。

S6：对卫星利用前后不同时刻的观测量构造检测量

若检测量

小于门限则此颗卫星受到欺骗干扰，大于门限则此颗卫星未受欺骗干扰；

构造的检测量3为：

在t₀时刻，卫星J到达两个接收机M和N的伪距分别为

和

卫星J的时钟钟差分别为

和

t₁时刻，两个接收机接收的卫星J的信号仍然为真实信号，伪距分别为

和

卫星的时钟钟差分别为

和

当两个接收机接收到的来自卫星J的信号是真实信号，卫星号J距离两个接收机的伪距差为：

式中，δt_Mr和δt_Nr为两个接收机的钟差值，在t₁时刻，卫星J距离两个接收机的伪距差为：

此时的检测量根据前后两个不同时刻的观测量构造的检测量

为：

检测量的大小与前后两个时刻卫星到两个接收机的距离和测量误差有关，在真实情况下，卫星是不断运动的，因此前后不同的两个时刻下，卫星位置不同，则伪距值也不同，在卫星可见时间范围内，卫星位置变化越大，则检测量3越大，则检测量3应该是不确定但不为零的值，且时间间隔的选择不同会影响检测量3的大小。

当两个接收机接收到的来自卫星J的信号是欺骗干扰信号，同样可以得到根据前后两个不同时刻的观测量构造的检测量

此时检测量理论上仅与测量中的各种误差及钟差计算过程中误差的双差相关，而同一个接收机在前后时间间隔不大的情况下，测量噪声的变化是不大的，所以检测量3的值应当是是十分接近零的值，且各种误差越小，检测量3越小。

因此，可通过设定门限C，若检测量3小于设定的门限C，则该卫星的信号为欺骗干扰信号；若检测量3大于或等于门限C，则该卫星的信号为真实信号。

S7：判断所有卫星是否已检测完毕，未检测完毕则继续对剩余卫星进行检测；

S8：若已完成对所有卫星的检测，则剔除检测到的受到欺骗干扰的卫星，重新进行定位，得出正确的定位结果。

若有多个接收机时，还可以继续进行欺骗干扰源定位：

S9：利用排除欺骗干扰信号的干扰得出的正确定位结果，和根据识别出的欺骗干扰信号得到的欺骗干扰源到多个接收机的距离差，构成方程组，之后利用Chan算法对方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

受到同样欺骗干扰的接收机均在欺骗干扰源的作用范围内，则距离欺骗干扰源的距离差不大，若忽略误差可得：

即欺骗干扰源到两个接收机距离的差为一可求定值，空间中到两点距离差为定值的点构成双曲面的一支，当有多个双曲面时，可得如下方程组

其中(x,y,z)为待求转发式欺骗干扰源的位置，(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,...,n)为n个接收机通过定位解算解算得到的正确位置坐标，

为卫星对接收机i的欺骗伪距，

为接收机钟差。

当方程组数量大于3个，即接收机数量大于4个时，方程组有解，但需要其他的先验条件确定唯一解，当方程组数量大于4个，即接收机数量大于5个时，可以得到方程组的唯一解。利用Chan算法可以对方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用多个接收机同时接收卫星信号并分别进行各自的定位解算；

步骤2，构造观测量1和观测量2；其中，检测量

为：

检测量

为：

其中J、K表示观测到的任意的两颗不同的导航卫星，M、N表示任意的两个不同的接收机；

为接收机M、N对应卫星J、K的伪距双差；

为根据接收机的定位结果反算的卫星J、K与接收机M、N之间的真实距离双差；

为接收机M、N对应卫星J、K的钟差双差；

步骤3，判断检测量2是否大于设定的门限A，若是，则接收到的卫星信号中，有部分是欺骗干扰信号，执行步骤5；若否，则执行步骤4；

步骤4，判断检测量1是否大于设定的门限B，若是，则接收到的卫星信号均为真实信号，接收机的定位结果正确，输出正确的定位结果；若否，则接收到的卫星信号均为欺骗干扰信号，无法得到正确的定位结果；

步骤5，构造检测量

对卫星J和卫星K分别进行欺骗干扰识别；其中，

k＝J,K，

为t₀、t₁时刻，接收机M、N对应卫星k的伪距双差，

为t₀、t₁时刻，接收机M、N对应卫星k的时钟钟差双差；若检测量3小于设定的门限C，则该卫星的信号为欺骗干扰信号；若检测量3大于或等于门限C，则该卫星的信号为真实信号；

步骤6，剔除欺骗干扰信号卫星，利用真实信号卫星重新进行定位，获得正确的定位结果。

2.如权利要求1所述的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，包括4个以上接收机，任意挑选2个接收机执行步骤1～6，识别出欺骗干扰信号卫星；

任意选取4个以上的接收机根据真实信号卫星重新进行定位，获得正确的定位结果；根据各接收机的正确的定位结果，以及识别出的欺骗干扰信号卫星到各接收机的距离差，构成方程组，对方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

3.如权利要求2所述的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，利用Chan算法对所述方程组进行求解，得到欺骗干扰源的位置。

4.如权利要求2或3所述的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，接收机数量为4时，结合其他的先验条件确定方程组的解。

5.如权利要求1所述的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，所述接收机两两之间的距离为10～1000m。

6.如权利要求1所述的基于多接收机的GNSS抗欺骗干扰方法，其特征在于，所述步骤1中，采用最小二乘法法进行定位解算。

Images