CN113031022A - 一种基于波束零陷指向的多维域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波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，属于卫星导航技术领域。该方法通过对接收卫星号的判决，确定待检测卫星号，利用阵列通道对待检测卫星号的独立捕获、跟踪、鉴相、测量完成待检测卫星号的干涉仪测向，获取待检测卫星号相对定位设备的空间位置信息，将空间位置信息输入给空频抗干扰处理模块进行权值计算，通过空频抗干扰处理模块在该空域形成零陷，对待检测卫星号形成空域波束零陷抑制，重启定位设备捕获流程，验证形成空域波束零陷后对捕获到卫星的数目影响，实现欺骗信号的识别与告警输出。该方法适用范围广，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欺骗信号均有效。

Description

一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法。

背景技术

随着全球卫星导航系统的发展，卫星导航定位设备已经成为人们寻找空间位置、速度测量、路径导航的主流应用，并深刻影响着人们的日常生活与国家安全。卫星导航定位设备广泛应用于军事、通信、导航、雷达、民航、交通等各个领域的定位、测速、导航、授时。随着卫星导航应用的深入，尤其是军事应用对卫星导航的可用性、连续性、完好性的高度需求，基于阵列天线的抗干扰应用逐渐成为卫星导航定位设备的应用主流，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卫星导航信号比较微弱，而且导航信号工作频点、信号体制、电文格式等内容都是公开的，所以卫星导航十分容易被模拟干扰与欺骗，针对卫星导航的欺骗干扰检测的强烈需求也应运而生。

欺骗干扰主要利用卫星导航定位设备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位设备的天敌。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。两个环节组合后的欺骗样式更是复杂多样。在实际应用中，欺骗干扰样式复杂多变，干扰类型并不单一，传统的功率检测、多普勒检测、自主完好性检测等欺骗干扰检测方法都是针对某一种欺骗干扰样式有效，当面对复杂多样的欺骗干扰时存在很大的局限性。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，提供一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，该方法适用范围广，不局限于某种单一样式的欺骗干扰，针对生成式欺骗、转发式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗以及各种样式的组合等所有的欺骗信号均有效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：

（1）通过卫星导航定位设备正常捕获并跟踪空间中的卫星信号，获取空间可视卫星号；通过对可视卫星号进行加权评估以选择存在欺骗风险的待检测卫星号；

（2）利用阵列天线的二维矩阵中相关通道，对待检测卫星号进行独立捕获、跟踪；获取载波观测信息，通过通道间的测量相位差进行鉴相处理，实现对检测卫星的干涉仪测向，获得检测卫星相对于卫星导航定位设备的空间位置二维角度信息；

（3）将空间位置二维角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，根据空频算法完成波束零陷权值计算；利用计算出的零陷权值，在检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制；

（4）在卫星导航定位设备上重新启动卫星捕获流程，对空间卫星号进行贯序捕获，将捕获到的卫星号与波束零陷指向形成前的情况进行比较：

若存在包括待检测卫星号在内的至少两颗卫星无法正常捕获，则说明该空域存在多颗卫星信号，为单天线多星欺骗，进行欺骗信号标识与显示；

若仅存在待检测卫星号无法正常捕获，则启动卫星导航定位设备的接收机自主完好性检验，将波束零陷形成前后的定位解算残差与波束零陷指向前的定位残差进行比较，如果波束零陷形成前后，残差均收敛，则判定待检测卫星非欺骗干扰，若波束零陷形成后残差收敛，则说明该卫星号为单星单天线欺骗，进行欺骗信号的识别、记录与告警输出。

进一步的，步骤（2）的具体方式为：

（201）将步骤（1）中确定的待检测卫星号设定为目标，利用阵列天线中的独立通道开启待检测卫星号的捕获、跟踪；

（202）获取每个通道的载波相位观测量，基于阵列通道间的几何分布关系，通过通道间的相位差进行鉴相处理，利用干涉仪测向算法进行检测卫星号相对定位设备的空间角度测量，记录检测卫星的空间角度信息。

进一步的，步骤（3）的具体方式为：

（301）将步骤（2）计算出的待检测卫星的空间角度信息作为波束零陷生产的参考送给卫星导航定位设备的空频抗干扰处理模块，通过该模块将角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，按照空频算法完成波束零陷权值计算；

（302）将计算出的零陷权值输出给空频抗干扰处理模块的波束零陷形成单元，在待检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制。

本发明与背景技术中的传统欺骗干扰检测方法相比，具有如下优点：

1、本发明的欺骗检测方式集成了信号的空域、时域、信息域等多个维度，实现欺骗干扰信号的多维域综合检测，相比背景技术中的基于信号功率、基于多普勒、基于接收机自主完好性等方式单一的检测方式，检测方式可靠、准确度高。

2、本发明采用空域滤波、时域捕获、自主完好性检测等方式联合实现，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，欺骗场景应用场景覆盖面广。

3、本发明基于卫星导航定位设备已有的抗干扰阵列天线、不需要针对欺骗检测构建额外的条件与环境支持、不需要变更定位设备已有的硬件架构、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欺骗干扰检测算法、欺骗干扰研制算法等信号处理算法，工程化实现简单，可更新性强。

4、本发明所有的欺骗信号检测信息均基于自身设备的测量获取，不依赖导航电文、导航星历等信息，与传统基于阵列天线的欺骗检测相比，欺骗检测结果更稳健可靠，适用于民航、军事应用等高可靠性领域。

5、本发明适用于所有的卫星导航系统、数据链测量系统、通信测控系统等，并适用于卫星导航的公开信号、授权信号等所有信号体制，适用范围广，具有良好的推广和应用价值。

总之，本发明可基于目前广泛应用的多阵元抗干扰天线，对多样式卫星导航欺骗信号在不增加外部辅助手段的情况下，利用复杂电磁环境中阵列抗干扰天线的多阵元设备特征，配合干涉仪测向、自适应零陷形成等技术实现多样欺骗干扰的有效检测。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图。

图2为本发明方法的流程图。

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说明。

参照图1和图2，一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：

（1）在传统阵列天线抗干扰卫星导航定位设备设计架构的基础上，利用阵列天线的并行通道特征与零陷形成优势实现欺骗信号的检测工作。卫星导航定位设备正常捕获、跟踪空间的卫星信号，获取空间可视卫星号；通过对可视卫星号进行加权评估选择存在欺骗风险的待欺骗检测卫星号；

（2）利用阵列天线的二维矩阵中相关通道，对待检测卫星号进行独立捕获、跟踪；获取载波观测信息，通过通道间的测量相位差进行鉴相处理，实现对检测卫星的干涉仪测向，获得检测卫星相对于卫星导航定位设备的空间位置二维角度，并将检测卫星的空间角度信息输入给空频抗干扰处理模块；

（3）空频抗干扰处理模块接收到待检测卫星号的空间角度信息，将空间角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，按照已有空频算法完成波束零陷权值计算；将计算出的零陷权值输出给空频抗干扰处理模块的波束零陷形成单元，在检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制；

（4）卫星导航定位设备重新启动卫星捕获流程，对空间卫星号进行贯序捕获，将捕获到的卫星号与波束零陷指向形成前进行比较：

若存在包括待检测卫星号在内的大于两颗卫星无法正常捕获，说明该空域存在多颗卫星信号，为单天线多星欺骗，进行欺骗信号标识与显示；

若仅存在待检测卫星号无法正常捕获，启动定位设备的接收机自主完好性检验，将波束零陷形成前后的定位解算残差与波束零陷指向前的定位残差进行比较，如果波束零陷形成前后，残差均收敛，则判定待检测卫星非欺骗干扰，若波束零陷形成后残差收敛，说明该卫星号为单星单天线欺骗，实现欺骗信号的识别、记录与告警输出。

其中，步骤（1）中，不改变传统阵列抗干扰卫星导航定位设备的硬件设计架构，不改变设备工作流程，通过对定位设备可视卫星号的加权评估选择存在欺骗风险的卫星号确定待欺骗检测卫星号，将该卫星号作为待检测卫星号启动欺骗干扰检测流程。

步骤（2）中，将步骤（1）中确定的待检测卫星号设定为目标，利用阵列天线中的独立通道开启待检测卫星号的捕获、跟踪；获取每个通道的载波相位观测量，基于阵列通道间的几何分布关系，通过通道间的相位差进行鉴相处理，利用干涉仪测向算法实现对检测卫星号相对定位设备的空间角度测量，将检测卫星的空间角度信息记录，并传输给定位设备已有的空频抗干扰处理模块。

步骤（3）中，利用步骤（2）计算出的待检测卫星的空间角度信息作为波束零陷生产的参考送给空频抗干扰处理模块，该模块接收到待检测卫星号的空间角度信息，将角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，按照已有空频算法完成波束零陷权值计算；将计算出的零陷权值输出给空频抗干扰处理模块的波束零陷形成单元，在待检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制。

该方法适用于基于阵列天线的卫星导航定位设备在复杂欺骗式干扰环境下工作时，由于欺骗干扰的影响造成的定位设备无法正常定位或定位偏离的问题。解决了卫星导航定位设备抗欺骗干扰的应用场景受限的问题与难点，提高了卫星导航定位设备的抗欺骗性能及复杂电磁环境中的可用性与鲁邦性。

在具体实施例当中，选取GPS L1频点的4号、16号、21号卫星的转发式单天线欺骗干扰作为欺骗样式，欺骗干扰检测方法步骤如下：

第1步，基于传统阵列抗干扰卫星导航定位设备设计架构，卫星导航定位设备正常捕获、跟踪空间的卫星信号，获取空间可视观测卫星号分别如下4、7、8、9、11、16、21、26、27、30；通过对各卫星号的载噪比加权评估，其中16号卫星的载噪比为67dB·Hz，确定16号卫星的载噪比加权最高，信号功率明显超过了其他卫星，存在欺骗风险，确定16号星为待检测卫星号；

第2步，选取阵列天线的二维矩阵中的1、2、3、4四个独立射频通道，对16号卫星进行捕获、跟踪，获取每个通道的载波观测信息；通过四个通道间的相位差进行鉴相处理，实现对16号卫星的干涉仪测向，获得16号卫星相对于卫星导航定位设备的空间位置二维角度，经过干涉仪测向，16号卫星相对定位设备的空间方位俯仰角为（228°，54°）；将16号卫星的空间角度信息（228°，54°）输入给空频抗干扰处理模块；

第3步，空频抗干扰处理模块接收到16号卫星的空间角度信息（228°，54°），将角度信息作为自适应调零算法的波束零陷形成约束，按照已有空频算法完成波束零陷权值计算；将计算出的零陷权值输出给空频抗干扰处理模块的波束零陷形成单元，在16号卫星的空间角度（228°，54°）上形成波束零陷，对16号卫星的空域形成空域滤波抑制；

第4步，设置卫星导航定位设备重新启动卫星捕获流程，对空间卫星号进行贯序捕获，捕获完毕后，获取空间可视观测卫星号分别如下7、8、9、11、26、27、30；将捕获到的卫星号与波束零陷指向形成前进行比较，其中载噪比高的4、16、21号卫星已无法正常捕获，确定4、16、21号卫星来自该空域，该空域同时存在多颗卫星信号，不符合卫星空间分布，判定为单天线多星欺骗，进行标识与显示；

第5步，由于载噪比最高的16号卫星在波束零陷抑制后，无法正常捕获，不需要启动接收机自主完好性检验流程，欺骗干扰抑制后可以直接转入接收机正常工作。将欺骗信号的识别、记录与告警输出。最终通过波束零陷的形成完成定位设备欺骗干扰的实时高效在线检测。

本发明工作原理如下：

该方法基于卫星导航定位设备已有的抗干扰阵列天线、不需要针对欺骗检测构建额外的条件与环境支持、不需要变更定位设备已有的硬件架构、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欺骗干扰检测算法。该方法首先使卫星导航定位设备按照既定的流程进行工作，正常捕获、跟踪空间的可视卫星信号，不区分欺骗卫星号，获取空间所有可视卫星号。通过对可视卫星号的加权评估选择存在欺骗风险的待检测卫星号，确定为待欺骗检测的卫星号，启动欺骗干扰检测流程；利用阵列天线的二维矩阵，对检测卫星号进行干涉仪测向，通过通道间的相位差进行鉴相处理，获得检测卫星的空间位置二维角度。将检测卫星的空间角度信息输入给空频抗干扰处理模块进行权值计算，获取该卫星空域的零陷权值，通过空频抗干扰处理模块在该空域形成零陷，对该卫星号形成空域波束零陷抑制。然后重新启动卫星捕获流程，对空间卫星号进行捕获，如果与波束零陷抑制前相比，存在包括待检测卫星号在内的多颗卫星无法正常捕获，说明该空域存在多颗卫星信号，为生成式或转发式单天线多星欺骗，对欺骗信号进行标识与显示；若仅存在待检测卫星号无法正常捕获，启动接收机自主完好性检验，定位解算残差与波束零陷指向前收敛，说明该卫星号为生成式或转发式多天线单星欺骗。该方法适用范围广，不局限某种单一样式的欺骗干扰，针对生成式欺骗、转发式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗以及各种样式的组合等所有的欺骗信号均有效。

总之，本发明集成了信号的空域、时域、信息域等多个维度进行综合欺骗干扰信号检测方法，并且所有的欺骗信号检测信息均基于自身设备的测量获取，不依赖导航电文、导航星历等信息，与传统基于阵列天线的欺骗检测相比，欺骗检测结果更稳健可靠，适用于民航等高可靠性领域。

Claims (3)

1.一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过卫星导航定位设备正常捕获并跟踪空间中的卫星信号，获取空间可视卫星号；通过对可视卫星号进行加权评估以选择存在欺骗风险的待检测卫星号；

（2）利用阵列天线的二维矩阵中相关通道，对待检测卫星号进行独立捕获、跟踪；获取载波观测信息，通过通道间的测量相位差进行鉴相处理，实现对检测卫星的干涉仪测向，获得检测卫星相对于卫星导航定位设备的空间位置二维角度信息；

（3）将空间位置二维角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，根据空频算法完成波束零陷权值计算；利用计算出的零陷权值，在检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制；

（4）在卫星导航定位设备上重新启动卫星捕获流程，对空间卫星号进行贯序捕获，将捕获到的卫星号与波束零陷指向形成前的情况进行比较：

若存在包括待检测卫星号在内的至少两颗卫星无法正常捕获，则说明该空域存在多颗卫星信号，为单天线多星欺骗，进行欺骗信号标识与显示；

若仅存在待检测卫星号无法正常捕获，则启动卫星导航定位设备的接收机自主完好性检验，将波束零陷形成前后的定位解算残差与波束零陷指向前的定位残差进行比较，如果波束零陷形成前后，残差均收敛，则判定待检测卫星非欺骗干扰，若波束零陷形成后残差收敛，则说明该卫星号为单星单天线欺骗，进行欺骗信号的识别、记录与告警输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤（2）的具体方式为：

（201）将步骤（1）中确定的待检测卫星号设定为目标，利用阵列天线中的独立通道开启待检测卫星号的捕获、跟踪；

（202）获取每个通道的载波相位观测量，基于阵列通道间的几何分布关系，通过通道间的相位差进行鉴相处理，利用干涉仪测向算法进行检测卫星号相对定位设备的空间角度测量，记录检测卫星的空间角度信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束零陷指向的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤（3）的具体方式为：

（301）将步骤（2）计算出的待检测卫星的空间角度信息作为波束零陷生产的参考送给卫星导航定位设备的空频抗干扰处理模块，通过该模块将角度信息作为调零算法的波束零陷形成输出，按照空频算法完成波束零陷权值计算；

（302）将计算出的零陷权值输出给空频抗干扰处理模块的波束零陷形成单元，在待检测卫星的空间角度形成波束零陷，对待检测卫星的空域形成空域滤波抑制。

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