CN113031019A - 一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，属于卫星导航领域。该方法在传统再生式欺骗模拟的基础上，通过对空间真实信号的接收实现欺骗干扰在信号功率、信号多普勒、到达时延等技术指标上与真实信号完全相参，传统的抗欺骗方法无法识别，欺骗成功率高；整个再生式欺骗产生过程由空间真实信号通过相关峰拖曳的方式使导航接收机无感的切换到欺骗信号，属于灵巧式欺骗，欺骗效率高；并且该欺骗方法不需要额外的环境支持、不需要外部辅助信息，仅在欺骗干扰产生上通过灵巧控制的方式实现欺骗。本发明发射功率小，隐蔽性强，工程化实现简单，适用范围广，具有良好的推广和应用价值。

Description

一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是指一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法。

背景技术

随着全球卫星导航系统的发展，卫星导航接收机已经成为人们日常生活的时空基准，卫星导航接收机在通信、导航、金融、民航、交通各个领域均起着至关重要的作用。同时，针对卫星导航的欺骗干扰也应运而生。欺骗干扰主要针对卫星导航接收机的工作特性与设计薄弱环节，以其隐蔽性好、干扰效能高而逐渐成为卫星导航接收机的天敌。任何欺骗干扰都包括欺骗信号生成与欺骗信号发射两个环节，因此，欺骗干扰按照生成方式分为生成式欺骗与转发式欺骗，按照发射方式分为单天线欺骗与多天线欺骗。在实际工程应用中，传统的再生式欺骗通过模拟空间卫星的方式实现欺骗对于普通的卫星导航接收机有效，随着卫星导航接收机的抗欺骗能力的提高与方式的多样化，传统再生式欺骗存在一定的局限性：

1、基于信号功率的欺骗干扰检测方法，该方法通过欺骗信号的功率来检测欺骗信号的存在，传统的再生式欺骗将被检测与抑制；

2、基于信号多普勒的欺骗干扰检测方法，该方法利用卫星导航接收机相对卫星与欺骗干扰的载体动态的差异进行欺骗干扰检测，传统的再生式欺骗将被检测与抑制；

3、基于接收机信号到达时间的欺骗干扰检测方法，该方法利用真实信号与欺骗信号到达接收机的时间差异实现欺骗干扰的识别，传统的再生式欺骗将被检测与抑制。

如何在不增加设备复杂度的情况下，提高再生式欺骗干扰的欺骗成功率成为再生式欺骗干扰广泛应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提出一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法。本发明属于灵巧式欺骗，欺骗效率高，且适用范围广，工程化实现简单，具有良好的推广和应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，包括如下步骤：

（1）对欺骗空域的真实卫星信号进行接收与监测，获得真实卫星的信号数据；

（2）在真实卫星信号数据的基础上，通过对数据的处理，获得由卫星位置、卫星速度、卫星方位/俯仰角构建的基于卫星号的空间信号特征二维矩阵参量；

（3）将生成的空间信号特征二维矩阵参量作为输入参数，通过调整本地数字振荡器，完成对欺骗干扰产生单元的参数初始化，由欺骗干扰产生单元模拟产生与空间真实信号一致的欺骗信号，欺骗信号的卫星数、卫星号、卫星参量与真实信号完全一致；

（4）按照欺骗流程的控制策略，调整欺骗信号的信号功率，使欺骗信号的功率大于真实信号的功率，并在基于信号功率抗欺骗的检测门限之下；动态调整数字控制振荡器的相位控制字，实现欺骗信号相关峰与真实信号相关峰之间的滑动与驻留，并控制滑动频率与驻留时间；在欺骗流程控制下，伪码码相位的滑动遍历整个伪码周期，将卫星导航接收机跟踪的真实卫星信号，通过欺骗信号码相位滑动的方式切换到欺骗信号上；

（5）控制按照真实卫星信号的电文更新时刻，将欺骗轨迹偏差通过星历、钟差、综合改正数的方式进行欺骗电文生成，最终生成可控的欺骗信号；欺骗信号生成后，利用数字控制振荡器生成的本振信号直接进行上变频处理，然后通过天线进行欺骗信号发射，完成基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生。

进一步的，步骤（1）中，获得真实卫星的信号数据的具体方式为，分别记录每个卫星的伪距、载波相位和多普勒，然后提取基本导航信息周内秒计数、整周计数、用户距离精度指数、卫星自主健康标识、电离层延迟模型改正参数、卫星星历参数、数据龄期、卫星历书以及其他系统时间同步信息。

进一步的，所述空间信号特征二维矩阵参量中包括伪距码相位、接收信号功率、接收信号多普勒、卫星星历、卫星历书、卫星钟差、综合改正数信息。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明以空间真实信号为参量进行的欺骗干扰模拟，在信号功率、信号多普勒、到达时延等技术指标上与真实信号完全相参，传统的抗欺骗方法无法识别，欺骗成功率高。

2、本发明的再生式欺骗干扰是由空间真实信号通过相关峰拖曳的方式使导航接收机无感的切换到欺骗信号，属于灵巧式欺骗，欺骗效率高。

3、本发明不需要额外的环境支持、不需要外部辅助信息，仅在欺骗干扰产生上通过灵巧控制的方式实现欺骗。其发射功率小，隐蔽性强，环境依赖性低，工程化实现简单。

4、本发明适用于所有的卫星导航系统，所有应用场景，适用范围广，具有良好的推广和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法的原理示意图。

图2为本发明实施例中基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，其包括如下步骤：

（1）在传统欺骗干扰产生方法的基础上，增加接收空间卫星导航信号的功能，获取欺骗干扰区域的卫星信号信息，涉及欺骗区域的可视卫星编号、空间位置、信号功率、信号多普勒、伪码码相位、电文参数等空间可视卫星的观测参数；

（2）通过接收欺骗区域的空间导航卫星，提取当前欺骗空域真实空间导航卫星的信号特征监测二维矩阵，内容涵盖可视卫星编号、卫星伪距码相位、卫星接收信号功率、卫星接收多普勒、卫星星历、卫星历书、卫星钟差、卫星综合改正数等，并将监测到的可视卫星信息按照信号与信息进行分类，作为欺骗信号生成与欺骗电文生产的输入；

（3）在欺骗流程的控制下，将欺骗空域的监测信息作为输入进行欺骗信号生成与欺骗电文生成，通过调整欺骗信号生成模块与欺骗电文生成模块的相关参数实现与空间信号特征一致的欺骗信号；

（4）按照欺骗流程的控制策略，调整欺骗信号的信号功率，通过动态调整数字控制振荡器的方式实现欺骗信号的伪码码相位相对于真实信号的码相位滑动，通过控制加扣伪码码相位的频率控制码相位滑动的频度与驻留时间，在欺骗流程控制下，伪码码相位的滑动遍历整个伪码周期，将卫星导航接收机跟踪的真实卫星信号，通过欺骗信号码相位滑动的方式切换到欺骗信号上。

（5）控制按照真实卫星信号的电文更新时刻，将欺骗轨迹偏差通过星历、钟差、综合改正数的方式进行欺骗电文生成，最终生成可控的欺骗信号；欺骗信号生成后，利用数字控制振荡器所生成的本振信号直接进行上变频处理，然后通过天线进行欺骗信号发射。

其中，步骤（1）中，在传统欺骗干扰的基础上，增加导航接收机，实现对欺骗区域空间真实信号的接收与监测。通过导航接收机获取欺骗区域当前存在的卫星号，每个卫星的空间位置、卫星的信号功率、信号多普勒、信号伪码码相位、信号的电文参数等真实信号的信号特征与信息参数。

步骤（2）中，将步骤（1）获取的空间卫星信号的信号特征与信息参数按照信号与信息进行分类，按照可视卫星号与卫星参量构建空间信号特征二维矩阵，内容包括伪距码相位、接收信号功率、接收信号多普勒、卫星星历、卫星历书、卫星钟差、综合改正数等空间可视卫星特征监测信息，作为欺骗信号生成与欺骗电文生产的输入。

步骤（3）中，将步骤（2）生成的空间信号特征二维矩阵参量作为欺骗干扰信号的输入参数输入给欺骗信号生产单元与欺骗电文生产单元，这两个单元在欺骗流程控制单元的控制下，利用空间信号特征信息，调整本地NCO，产生与空间信号特征一致的欺骗信号，完成欺骗干扰到的欺骗信号产生初始化。

步骤（4）中，启动欺骗信号控制策略，按照预设条件提高欺骗信号的信号功率，让欺骗干扰功率大于真实信号功率，按照预设条件调整动态调整数字控制振荡器，实现欺骗信号的伪码相位相对于真实信号的码相位滑动，通过控制伪码码片的增减实现欺骗信号相关峰与真实信号相关峰之间的滑动与驻留，并控制滑动频率与驻留时间。在欺骗流程的控制下，通过控制欺骗信号的伪码相位使其相关峰遍历整个伪码周期。通过欺骗信号相关峰滑动的方式，将导航接收机跟踪的真实信号拖曳到欺骗信号上来，完成导航信号的欺骗。整个欺骗信号的拖曳过程如图1所示，首先产生信号功率大于真实信号的伪码相位，经过本地接收伪码相关后，如图1的a）所示，通过控制伪码码片的增减实现欺骗信号相关峰与真实信号相关峰之间的滑动与驻留，如图1的b）与c）所示，通过欺骗信号相关峰滑动的方式，将导航接收机跟踪的真实信号拖曳到欺骗信号上来，如图1的d）所示，通过再牵引欺骗信号，实现接收机本地伪码相位的拖曳。

步骤（5）中，基于步骤（4）的欺骗导航信号与步骤（2）产生的空间信号特征二维矩阵参量中导航电文参量，按照预设的欺骗信号的轨迹生成欺骗导航电文，内容涵盖星历、钟差、综合改正数等。按照渐变的方式与同步更新方式生成欺骗导航电文并注入欺骗导航信号。利用动态控制NCO同步生成的本振信号直接对欺骗信号进行上变频处理后，通过天线进行欺骗信号发射。最终实现欺骗信号通过对导航接收机跟踪真实信号的相关峰拖曳的方式切换到欺骗信号上，完成对导航接收机的欺骗。

该方法首先接收空间卫星导航信号，获取被欺骗卫星导航接收机所处环境中的卫星导航信号信息，然后通过对欺骗信号的伪码、载波、电文的控制，实现相对与空间真实信号的动态时延调整，通过欺骗信号时延的动态调整，在卫星导航接收机端实现欺骗信号相对于真实信号的相关峰动态滑动，按照固定的滑动时间对整个伪码周期内的相关峰进行滑动、驻留、覆盖、牵引，最终实现对卫星导航接收机的相关峰牵引，完成接收机的信号欺骗。该方法是灵巧式再生式欺骗，该方法的欺骗对象不仅限于传统卫星导航接收机，对于基于信号功率检测抗欺骗、基于信号多普勒检测抗欺骗、基于接收机到达时间抗欺骗、基于接收机RAIM抗欺骗等卫星导航接收机的欺骗均有效。

以下为一个更具体的例子：

参照图1和图2，一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，该方法基于传统的再生式欺骗架构，增加了接收空间信号的功能，通过接收空间信号，获取空间信号特征二维矩阵参量，基于空间真实信号的参量作为输入，生成本地与真实信号一致的欺骗信号，通过调整欺骗信号的伪码相位，实现在时域上欺骗信号相对真实信号的相关峰滑动，在相关峰滑动期间通过调整相关峰滑动的速度与驻留时间，完成对真实信号相关峰的拖曳，使导航接收机跟踪的信号由真实信号切换到欺骗信号，再按照电文更新的频度与时刻，对欺骗信号的电文进行更新，实现欺骗信号的轨迹按照预设的欺骗信号的轨迹进行处理。最终完成导航接收机的欺骗与诱骗。

具体实施例当中，选取GPS L1频点的再生式欺骗样式作为欺骗样式。该方法的具体步骤如下：

第1步，在传统欺骗干扰的基础上，增加导航接收机，实现对欺骗区域空间真实信号的接收与监测。通过导航接收机获取欺骗区域的所有可视卫星，共9颗，分别记录每个卫星的伪距、载波相位和多普勒，然后提取基本导航信息周内秒计数、整周计数、用户距离精度指数、卫星自主健康标识、电离层延迟模型改正参数、卫星星历参数、数据龄期、卫星历书、其他系统时间同步信息等；

第2步，在获得空间真实卫星信号数据的基础上，通过对数据的处理，获得卫星位置、卫星速度、卫星方位/俯仰角等信息构建基于卫星号的空间信号特征二维矩阵参量，并将此参量作为欺骗信号生成的参数输入；

第3步，将生成的空间信号特征二维矩阵参量作为参数输入给欺骗干扰产生单元，在欺骗流程单元的控制下，通过调整本地数字控制振荡器，完成对欺骗干扰产生单元的参数初始化，欺骗干扰产生单元模拟产生与空间真实信号一致的欺骗信号，欺骗信号的卫星数、卫星号、卫星参量与真实信号完全一致；

第4步，启动欺骗信号控制策略，首先按照预设条件提高欺骗信号的信号功率，每颗星的信号功率比真实空间信号功率大3～5dB，让欺骗信号的功率大于真实信号的功率，同时在基于信号功率抗欺骗的检测门限之下。动态调整数字控制振荡器的相位控制字PW，实现欺骗信号的伪码相位相对于真实信号相位的码相位滑动，实现欺骗信号相关峰与真实信号相关峰之间的滑动与驻留，并控制滑动频率与驻留时间。在欺骗流程的控制下，通过控制欺骗信号的伪码相位使其相关峰遍历整个伪码周期。相对于真实信号的自相关函数，欺骗信号相关峰按照预定的速度滑动扫完整个伪码周期，通过相关峰驻留与动态调整数字控制振荡器的频率控制字FW的调整实现将导航接收机跟踪的真实信号相关峰拖曳到欺骗信号上来，完成导航信号级欺骗。

第5步，基于空间信号特征二维矩阵参量中导航电文参量，按照预设欺骗信号的轨迹生成导航信号调整量与导航电文参数信息，通过对用户距离精度指数、卫星自主健康标识、电离层延迟模型改正参数、卫星星历参数、数据龄期、卫星历书等参数的调整实现欺骗，电文参数调整过程按照渐变的方式与同步更新方式进行电文生成与注入。最后利用动态调整数字控制振荡器同步生成本振信号直接对欺骗信号进行上变频处理后，通过天线进行欺骗信号发射。最终实现基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生。

本发明方法在传统再生式欺骗模拟的基础上，通过对空间真实信号的接收实现欺骗干扰在信号功率、信号多普勒、到达时延等技术指标上与真实信号完全相参，传统的抗欺骗方法无法识别，欺骗成功率高；整个再生式欺骗产生过程由空间真实信号通过相关峰拖曳的方式使导航接收机无感的切换到欺骗信号，属于灵巧式欺骗，欺骗效率高；并且该欺骗方法不需要额外的环境支持、不需要外部辅助信息，仅在欺骗干扰产生上通过灵巧控制的方式实现欺骗。发射功率小，隐蔽性强，工程化实现简单。

本发明特别适用于基于卫星导航接收机进行定位的轨迹欺骗及位置诱偏，解决了传统卫星导航欺骗信号的欺骗成功率低、易于被检测的问题与难点，提高了欺骗信号的欺骗成功率与欺骗效能，能够避开多种传统抗欺骗的处理方法，工程实现简单，具有广泛的应用推广价值。

Claims (3)

1.一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对欺骗空域的真实卫星信号进行接收与监测，获得真实卫星的信号数据；

（2）在真实卫星信号数据的基础上，通过对数据的处理，获得由卫星位置、卫星速度、卫星方位/俯仰角构建的基于卫星号的空间信号特征二维矩阵参量；

（3）将生成的空间信号特征二维矩阵参量作为输入参数，通过调整本地数字振荡器，完成对欺骗干扰产生单元的参数初始化，由欺骗干扰产生单元模拟产生与空间真实信号一致的欺骗信号，欺骗信号的卫星数、卫星号、卫星参量与真实信号完全一致；

（4）按照欺骗流程的控制策略，调整欺骗信号的信号功率，使欺骗信号的功率大于真实信号的功率，并在基于信号功率抗欺骗的检测门限之下；动态调整数字控制振荡器的相位控制字，实现欺骗信号相关峰与真实信号相关峰之间的滑动与驻留，并控制滑动频率与驻留时间；在欺骗流程控制下，伪码码相位的滑动遍历整个伪码周期，将卫星导航接收机跟踪的真实卫星信号，通过欺骗信号码相位滑动的方式切换到欺骗信号上；

（5）控制按照真实卫星信号的电文更新时刻，将欺骗轨迹偏差通过星历、钟差、综合改正数的方式进行欺骗电文生成，最终生成可控的欺骗信号；欺骗信号生成后，利用数字控制振荡器生成的本振信号直接进行上变频处理，然后通过天线进行欺骗信号发射，完成基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生。

2.根据权利要求1所述的一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，其特征在于：步骤（1）中，获得真实卫星的信号数据的具体方式为，分别记录每个卫星的伪距、载波相位和多普勒，然后提取基本导航信息周内秒计数、整周计数、用户距离精度指数、卫星自主健康标识、电离层延迟模型改正参数、卫星星历参数、数据龄期、卫星历书以及其他系统时间同步信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于相关峰动态拖曳的卫星导航再生式欺骗产生方法，其特征在于：所述空间信号特征二维矩阵参量中包括伪距码相位、接收信号功率、接收信号多普勒、卫星星历、卫星历书、卫星钟差、综合改正数信息。

Images