CN113031021B - 一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法，属于星导航技术领域。该方法在卫星导航定向设备完成信号捕获跟踪的同时，获取双天线的载波相位测量信息，利用双天线间固定基线长度的约束条件，对双天线的载波跟踪测量结果，将结果进行同星载波互差，获取观测卫星信号到达卫星导航定向设备的时延差，通过卫星到达两个天线的时延差异推演卫星的空间位置，判决欺骗信号是否来自同一个空间辐射位置；然后进行正常定位，利用卫星的星历获取每颗星的空间方位与俯仰，基于方位俯仰信息计算每颗星到达两个天线的载波差，将载波差与接收机观测的同星载波互差进行校验，若卫星位置反演的时延差与观测时延差不一致则判定为欺骗信号。

Description

一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是指一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法。
背景技术
随着全球卫星导航系统的发展，卫星导航定向设备已经成为人们寻找空间方向基准的主流应用，并深刻影响着人们的日常生活。卫星导航定向设备广泛应用于通信、导航、雷达、民航、交通等各个领域的定向寻北。随着应用的深入，人们也越来越关注卫星导航应用的安全性和可靠性。然而由于到达地面的导航信号比较微弱，而且导航信号工作频点及信号体制等是公开的，所以卫星导航十分容易被污染，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定向设备的工作特性与信号设计的薄弱环节，以其隐蔽性好、干扰效能高而逐渐成为卫星导航定向设备的天敌。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，按照发射方式又分为单天线欺骗与多天线欺骗。两种组合后的欺骗样式更是多种多样。在实际应用中，欺骗干扰样式复杂多变，干扰类型并不单一，传统的欺骗干扰检测方法都是针对某一种欺骗干扰样式有效，存在一定的局限性。例如：
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强度及变化来检测欺骗信号的存在，但由于天线类型、天线姿态、多径影响等因素影响，存在很大的虚警检测概率；
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，当卫星接收机动态较小时，或者针对发射方式是多天线的欺骗，该方法存在较大的应用局限性；
3、基于接收机自主完好性的欺骗干扰检测方法，该方法利用定位解算中残差的估计实现欺骗干扰的识别，该方法仅对1颗或2颗卫星存在欺骗时有效，当存在多颗卫星的生成式单天线欺骗时，该方法无能为力。
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载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法。该方法不局限某种样式的欺骗干扰，对生成式欺骗、转发式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗以及各种样式的组合均有效。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：
（1）利用卫星导航定向设备的双天线对空间所有的卫星进行独立捕获跟踪，每个天线获得独立的空间卫星的伪码相关与载波观测量信息，并存储记录；
（2）将卫星导航定向设备的两个天线收到的空间卫星的相关峰进行同星比较识别，若单个天线接收到同星的相关峰超过多个，并且双天线之间的相关峰位置固定，则判断存在欺骗干扰，将相关欺骗信号的相关峰信息进行记录与输出；
（3）卫星导航定向设备完成正常空间信号跟踪后，将每个天线不同卫星通道的载波环路获取的载波观测量进行同星载波互差，获取以卫星号为索引的载波互差向量表，同星载波互差中消除了轨道误差、卫星钟差、空间传输误差，按照广义似然比检测准则对不同卫星之间的载波互差进行统计，若存在两颗以上卫星的同星载波互差误差小于阈值，则判定以上卫星信号从同一位置辐射而来，判定为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出；
（4）卫星导航定向设备完成同星载波误差的欺骗检测后，转入正常定位阶段，设备完成定位后，基于位置信息与卫星的星历信息计算该卫星相对设备的方位俯仰，利用方位俯仰与设备坐标构建几何关系，反演卫星到达卫星导航定向设备的时延差，将时延差与该卫星的双天线载波互差进行统计，若两者的互差超过阈值，则说明卫星信号与卫星位置不统一，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明不局限于基于信号功率、基于信号多普勒、基于接收机自主完好性等方式单一的检测方式，具有检测效果好、检测成功率高的优点。
2、本发明贯穿于信号捕获、信号跟踪、信号解调全过程，对生成式欺骗、再生式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗、组合式欺骗等均有很好的检测效果，欺骗场景适应性好。
3、本发明不需要阵列天线、不需要额外的环境支持、不需要变更接收机硬件、不需要外部辅助信息，仅在基带信号处理算法上增加独立的识别跟踪环路，环境依赖性低，工程化实现简单。
4、本发明不仅适用于卫星导航定向设备的欺骗干扰检测，同时适用于任何场景下双接收机的欺骗干扰检测。
5、本发明适用于所有的卫星导航系统，公开信号与授权信号等所有信号，适用范围广，具有良好的推广和应用价值。
附图说明
图1为基于载波互差的卫星导航定向设备的空间卫星信号与欺骗信号传输示意图。
图2为基于载波互差的卫星导航定向设备的原理框图。
图3为基于载波互差的卫星导航定向设备的欺骗干扰检测流程图。
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。
参照图1、图2和图3，一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法，其包括如下步骤：
（1）在传统卫星导航定向设备设计架构的基础上，利用卫星导航定向设备的双天线对空间所有的卫星进行独立捕获跟踪，每个天线获得独立的空间卫星的伪码相关与载波观测量信息，并存储记录；
（2）将卫星导航定向设备的两个天线收到的空间卫星的相关峰进行同星比较识别，若单个天线接收到同星的相关峰超过多个，并且双天线之间的相关峰位置固定，则判断存在欺骗干扰，将相关欺骗信号的相关峰信息进行记录与输出；
（3）卫星导航定向设备完成正常空间信号跟踪后，将每个天线不同卫星通道的载波环路获取的载波观测量进行同星载波互差，获取以卫星号为索引的载波互差向量表，因为两个天线距离比较近，同星载波互差中消除了轨道误差、卫星钟差、空间传输误差，按照广义似然比检测准则对不同卫星之间的载波互差进行统计，若存在两颗以上卫星的同星载波互差误差小于阈值，则判定以上卫星信号从同一位置辐射而来，则判定为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出；
（4）卫星导航定向设备完成同星载波误差的欺骗检测后，转入正常定位阶段，设备完成定位后，基于位置信息与卫星的星历信息计算该卫星相对设备的方位俯仰，利用方位俯仰与设备坐标构建几何关系，反演卫星到达卫星导航定向设备的时延差，将时延差与该卫星的双天线载波互差进行统计，若两者的互差超过阈值，说明卫星信号与卫星位置不统一，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。
其中，步骤（1）中，不改变传统卫星导航定向设备设计架构，将卫星导航定向的设备的作为两台独立的卫星导航接收机进行使用，每个天线对空间所有卫星进行独立的捕获跟踪，同时对每个天线获得独立的空间卫星的相关峰、载波环路观测量等信息进行提取，并存储记录，作为欺骗干扰检测的数据输入.
步骤（2）中，将步骤（1）中卫星导航定向设备的每个天线收到的空间卫星的相关峰数量进行判别，按照设定的阈值门限进行卫星的相关峰判别，若存在多于一个的相关峰，则存在再生欺骗或转发欺骗与空间信号共存的可能，也可能是多径信号影响，将两个天线之间的相关峰的位置做互差，若两个天线之间的多个相关峰位置固定，则判定空间存在与卫星信号共存的欺骗信号，将欺骗信号的状态、卫星号、相关峰信息进行存储记录与输出。
步骤（3）中，利用步骤（1）中卫星导航定向设备每个天线不同卫星通道的载波环路获取的载波观测量，按照卫星号将两个天线间的同号卫星进行载波互差，获取以卫星号为索引的载波互差向量表，由于卫星导航定向设备为固定长度基线，同一颗卫星经过不同天线后进行载波互差，消除了卫星的轨道误差、钟差、空间传输误差，只包含空间信号到达两个天线的时延差与接收机钟差，接收机为同一个时钟，因此载波互差只包括空间信号到达两个天线的时延差，反应空间信号的辐射位置。按照广义似然比检测准则对不同卫星之间的载波互差进行统计，若存在两颗以上卫星的同星载波互差误差小于阈值，则判定以上空间卫星信号从同一位置辐射而来，则判定为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。
步骤（4）中，卫星导航定向设备转入正常定位定向工作阶段，设备完成定位后，基于设备位置信息与卫星的星历信息计算每颗卫星相对设备的方位俯仰空间信息，利用方位俯仰与设备坐标空间构建几何关系，反演卫星信号到达设备的时延差，利用步骤（3）中获取的卫星的双天线载波互差与反演时延差进行互差统计，若两者的互差超过阈值，说明卫星发播的空间位置与空间辐射位置不一致，存在多天线欺骗，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。最终完成卫星导航定向设备欺骗干扰的多维域实时在线检测。
本方法为一种多维域的综合欺骗干扰检测方法，可解决当前卫星导航定向设备欺骗干扰检测方式单一，欺骗干扰适应场景存在局限性，检测虚警与漏警率高等问题。该方法基于卫星导航定向设备的传统设计架构，不需要额外的配套条件，利用空间信号特征、空间信号的DOA特征实现欺骗干扰检测。该方法首先通过多相关峰检测的方式进行欺骗干扰检测，然后将设备的载波观测量的副产品经过数据处理后，作为空间信号到达的判决依据，通过对卫星导航定向设备不同天线间同卫星号的载波互差，判断卫星信号的发射位置，同时将该互差与导航电文中发播的卫星星历通过计算卫星方位俯仰角的方式联合使用，对空间卫星的位置进行校验。通过以上方式完成欺骗干扰的多维域检测，将识别结果作为欺骗信号告警信息实时输出。
在具体实施例当中，选用BDS B1频点的21、25号卫星的再生式单天线欺骗干扰作为欺骗样式，欺骗干扰检测方法的步骤如下：
第1步，不改变传统卫星导航定向设备设计架构，让设备的每个天线对空间的所有卫星进行独立的捕获跟踪，天线1捕获空间1、3、5、7、9、11、21、23、25、59、60、61的卫星的相关峰、载波环路的观测量；天线2捕获空间1、3、5、7、11、21、23、25、59、60、61的卫星的相关峰、载波环路的观测量；并将以上数据进行存储记录；
第2步，由于空间即存在21号卫星的空间信号，又存在21号卫星的欺骗信号，卫星导航定向设备的两个天线收到的空间卫星的相关峰进行同星比较识别，发现21号卫星的相关峰存在两个，且两个天线间的相关峰固定，则判定21号卫星存在欺骗干扰，将相关欺骗信号的相关峰信息进行记录与输出；
第3步，将卫星导航定向设备每个天线不同卫星通道的载波环路获取的载波观测量，按照卫星号将两个天线间的同号卫星进行载波互差，获取以卫星号为索引的载波互差向量表，其中1、3、5、7、11、23、59、60、61卫星的双天线载波互差属于离散分布，21和25号卫星的载波互差基本为0，则判定21和25号卫星从空间同一位置辐射而来，则判定为21号与25号卫星为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出；
第4不，剔除21号和25号卫星后，卫星导航定向设备转入正常定位定向工作阶段，设备完成定位后，基于设备位置信息与21号和25号卫星的星历信息计算每颗卫星相对设备的方位俯仰空间信息，利用方位俯仰与设备坐标空间构建几何关系，反演卫星信号到达设备的时延差，将时延差与卫星的双天线载波互差与反演时延差进行互差统计，互差超过阈值，呈现离散现象，说明21号卫星与25号卫星发播的空间位置与空间信号辐射位置不一致，则判定存在21号与25号卫星为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。完成卫星导航定向设备欺骗干扰的多维域实时在线检测。
本发明工作原理如下：
本发明在传统卫星导航定向设备的基础上，不需要额外的环境支持、不需要变更接收机硬件，在卫星导航定向设备完成信号捕获跟踪的同时，获取双天线的载波相位测量信息，利用双天线间固定基线长度的约束条件，不同卫星到达两个天线的时延与载波相位存在差异，对双天线的载波跟踪测量结果，将结果进行同星载波互差，获取观测卫星信号到达卫星导航定向设备的时延差，通过卫星到达两个天线的时延差异推演卫星的空间位置，判决欺骗信号是否来自同一个空间辐射位置。然后进行正常定位，利用卫星的星历获取每颗星的空间方位与俯仰，基于方位俯仰信息计算每颗星到达两个天线的载波差，将载波差与接收机观测的同星载波互差进行校验，若卫星位置反演的时延差与观测时延差不一致则判定为欺骗信号。该方法适用于所有欺骗干扰样式，不局限某种样式的欺骗干扰，并适用于任何场景下双天线导航接收机、多阵元抗干扰导航接收机等设备的欺骗干扰检测。
总之，本发明不需要额外的环境支持、不需要变更设备硬件、不需要外部辅助信息，环境依赖性低，工程化实现简单。对于多样式卫星导航欺骗信号，本发明可在不增加外部辅助手段的情况下，基于自身设备的设备特征，通过相关算法实现对欺骗干扰的实时检测。
本发明适用于所有的卫星导航系统的所有欺骗干扰样式，以及公开信号与授权信号等所有信号，并适用于任何场景下双接收机的欺骗干扰检测，具有良好的推广和应用价值。可解决卫星导航定向设备抗欺骗干扰的应用场景受限的问题与难点，提高了卫星导航定向设备的抗欺骗性能及复杂电磁环境中的可用性与鲁邦性。

Claims (1)

1.一种基于载波互差的卫星导航定向设备欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用卫星导航定向设备的双天线对空间所有的卫星进行独立捕获跟踪，每个天线获得独立的空间卫星的伪码相关与载波观测量信息，并存储记录；
（2）将卫星导航定向设备的两个天线收到的空间卫星的相关峰进行同星比较识别，若单个天线接收到同星的相关峰超过多个，并且双天线之间的相关峰位置固定，则判断存在欺骗干扰，将相关欺骗信号的相关峰信息进行记录与输出；
（3）卫星导航定向设备完成正常空间信号跟踪后，将每个天线不同卫星通道的载波环路获取的载波观测量进行同星载波互差，获取以卫星号为索引的载波互差向量表，同星载波互差中消除了轨道误差、卫星钟差、空间传输误差，按照广义似然比检测准则对不同卫星之间的载波互差进行统计，若存在两颗以上卫星的同星载波互差误差小于阈值，则判定以上卫星信号从同一位置辐射而来，判定为欺骗信号，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出；
（4）卫星导航定向设备完成同星载波误差的欺骗检测后，转入正常定位阶段，设备完成定位后，基于位置信息与卫星的星历信息计算该卫星相对设备的方位俯仰，利用方位俯仰与设备坐标构建几何关系，反演卫星到达卫星导航定向设备的时延差，将时延差与该卫星的双天线载波互差进行统计，若两者的互差超过阈值，则说明卫星信号与卫星位置不统一，将欺骗信号的卫星号进行记录与输出。
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