CN113204032A - 一种基于广义rdss定位的卫星导航欺骗干扰检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，属于卫星导航技术领域。该方法在传统北斗双模接收机的基础上，通过独创的基于广义RDSS定位的伪距校验方式实现对欺骗干扰信号的检测与识别，同时利用RDSS定位为被动握手定位方式及广义RDSS为RDSS与RNSS融合的定位方式实现全部RNSS卫星的伪距观测量的遍历与校验。通过对RDSS定位、广义RDSS定位、RNSS定位及卫星号轮询遍历的方式实现所有卫星号伪距的识别，并将识别的欺骗信号信息进行记录与告警输出，完成卫星导航接收机欺骗干扰的实时检测。

Description

一种基于广义RDSS定位的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，特别是指一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法。
背景技术
随着北斗三号全球卫星导航系统的开通与运行，北斗双模接收机已经成为寻找空间位置、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。北斗双模接收机已在我国广泛应用于通信、导航、雷达、民航、交通等各个领域的定位、测速、导航、授时、位置报告。随着北斗三号卫星导航系统应用的持续深入，卫星导航应用的安全性和可靠性也越发成为关注焦点。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，针对卫星导航欺骗干扰检测的强烈需求也应运而生。
欺骗干扰主要利用北斗双模接收机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北斗双模接收机的天敌。任何欺骗干扰都包括欺骗信号产生与欺骗信号发射两个环节，因此，欺骗干扰按照产生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多种多样。在实际工程应用中，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、残留信号检测等传统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；基于来波方向估计与到达时间检测的阵列天线欺骗干扰检测方式对设备复杂度与平台要求又过于苛刻：
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、天线方向图、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；
4、基于阵列天线的来波方向估计与到达时间估计的欺骗干扰检测方法，该方法利用阵列天线的空域波束形成与来波方向估计的原理实现欺骗信号的实时检测，但由于需要复杂的阵列天线设备作为支撑，对设备的应用平台与应用环境要求十分苛刻。
针对广泛应用的普通北斗双模接收机，利用北斗导航系统的RDSS/RNSS双模工作的优势，如何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与系统设计的先天条件，通过相关数据处理算法更新就能够实现对欺骗干扰的实时检测成为北斗卫星导航定位设备广泛应用的关键。
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，提出一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法。该方法利用北斗卫星导航系统的系统设计优势以及已有接收机的双模信号接收特点，解决了北斗双模接收机抗欺骗干扰应用场景受限的问题，提高了北斗双模接收机的抗欺骗性能及复杂电磁环境中的可用性与鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：
（1）北斗双模接收机启动后，通过RDSS/RNSS双模对空间可视卫星信号进行独立的捕获和跟踪，进行RDSS独立定位与RNSS独立定位，并将两种模式的定位结果与RNSS的可视卫星号进行存储、记录；
（2）将RNSS独立定位的结果与RDSS独立定位的结果进行互差拟合，以RDSS独立定位结果作为可信位置参考依据，将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较，若互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定两种定位模式正常，不存在欺骗干扰信号，完成欺骗干扰检测；否则，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号，转入步骤（3）；
（3）将RNSS的可视卫星号组成可视卫星号序列；
（4）以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出两颗卫星号，每次迭代中，使用本次选出的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将广义RDSS定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较；若某次迭代中，广义RDSS定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定本次选出的两颗卫星号均为非欺骗卫星号，转到步骤（5）；若对于从可视卫星号序列中选出的任两颗卫星号，广义RDSS定位结果的互差拟合结果均超出定位误差阈值，则判定可视卫星号序列中的所有卫星号均为欺骗卫星号，完成欺骗干扰检测；
（5）任选一颗非欺骗卫星号，将该卫星号依次与可视卫星号序列中的每一颗未判定卫星号进行组合，对于每一组合，使用本组合中的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将广义RDSS定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较，若广义RDSS定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定本组合中的未判定卫星号不是欺骗卫星号，否则，判定其为欺骗卫星号；最终完成对所有卫星号的欺骗干扰检测。
进一步的，与步骤（4）同时进行的还有如下步骤：
以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出至少四颗卫星号，每次迭代中，使用本次选出的卫星号的伪距观测量进行RNSS独立定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将RNSS独立定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较；直至某次迭代中，RNSS独立定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，判定本次选出的卫星号均为非欺骗卫星号，转到步骤（5）。
进一步的，步骤（3）中，可视卫星号序列中的可视卫星号按照欺骗风险从小到大的顺序进行排列，所述欺骗风险由卫星观测载噪比表征；步骤（4）中，以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出两颗卫星号的方式为，从可视卫星号序列的前端开始选取，第i次选取的卫星号是可视卫星号序列中的第i颗和第i+1颗卫星号，i≥1。
本发明与背景技术中传统的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伪距域与信息域的联合融合处理，充分利用了北斗卫星导航系统的系统设计优势，检测方法稳健可靠，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法，检测效果好，检测成功率高。
2、本发明欺骗干扰检测基于北斗导航系统的被动定位特色，安全可靠，稳健性强，对生成式欺骗、再生式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗、组合式欺骗等均有良好的检测效果，欺骗场景应用场景覆盖面广。
3、本发明不需要额外接收机、不需要复杂阵列天线、不需要配套环境支持、不需要变更接收机硬件、不需要外部辅助信息，仅在信息处理算法增加定位模式的融合校验就能够实现多层次的欺骗干扰检测，环境依赖性低，工程化实现简单，可更新性强。
4、本发明适用于公开信号与授权信号等所有信号体制，适用于普通北斗双模接收机、指挥型北斗用户机、授时型北斗双模用户机、阵列抗干扰型北斗双模用户机等，适用范围广，具有良好的推广和应用价值。
附图说明
图1为基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰示意图。
图2为基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）北斗双模接收机启动后按照正常流程进行工作，独立完成RDSS/RNSS双模的捕获、跟踪空间可视卫星信号；正常进行RDSS独立定位与RNSS独立定位，并将两种模式的定位结果与RNSS的可视卫星号存储记录；
（2）鉴于RDSS定位为用户认证握手的被动定位模式，且RDSS定位与RNSS定位在不同的频域将其作为位置参考依据，将RDSS定位结果与RNSS定位结果进行互差拟合，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，若偏差未超出阈值，说明两种定位模式正常，不存在欺骗干扰信号；若偏差超出阈值，说明两种定位模式的结果不一致，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号；然后转入下一步继续检测；
（3）依据欺骗风险评估因子对RNSS的可视卫星号进行欺骗风险排序，确定可视卫星号序列；
（4）选取序列中的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，并通过接收机进行RDSS独立定位；此外，为了加快检测速度，还可以同时通过接收机进行基于剩余可视卫星号（至少4颗）的伪距观测量的RNSS独立定位；然后，将广义RDSS定位的结果、RNSS定位结果分别与RDSS定位结果进行互差拟合，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，若广义RDSS定位结果偏差未超出阈值，说明选取的两颗卫星不是欺骗卫星号，若偏差超出阈值，说明选取的两颗卫星为欺骗卫星号；若RNSS定位结果偏差未超出阈值，说明除选取的两颗卫星外不存在欺骗干扰，若偏差超出阈值，说明除选取的两颗卫星外仍存在欺骗干扰；如此，检测出至少两颗非欺骗卫星号，然后转入下一步继续检测；
（5）任选一颗非欺骗卫星号，将该卫星号依次与可视卫星号序列中的每一颗未判定卫星号进行组合，对于每一组合，使用本组合中的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将广义RDSS定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较，若广义RDSS定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定本组合中的未判定卫星号不是欺骗卫星号，否则，判定其为欺骗卫星号，直至所有可视RNSS卫星号检测结束。最终完成欺骗信号的识别、记录与告警输出，实现北斗双模接收机的欺骗干扰实时在线检测。
其中，步骤（1）中，北斗双模接收机按照正常流程进行工作，通过接收机的模式设置完成RDSS/RNSS双模捕获、跟踪空间可视卫星信号；正常进行RDSS独立定位与RNSS独立定位，获取双模的独立定位信息与RNSS的可视卫星号并存储记录。
步骤（2）中，将步骤（1）中存储的RDSS定位结果与RNSS定位结果进行互差拟合，利用RDSS定位为用户认证握手的被动定位模式，将其作为可信位置参考依据，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，若偏差未超出阈值，说明两种定位模式正常，不存在欺骗干扰信号；若偏差超出阈值，说明两种定位模式的结果不一致，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号，转入下一步继续检测。
步骤（3）中，将RNSS的可视卫星号按照欺骗风险评估因子进行欺骗风险排序，确定可视卫星号欺骗风险序列，欺骗风险评估因子可采用卫星观测载噪比。
步骤（4）中，从序列中选取两颗卫星号作为欺骗识别卫星号，将其伪距观测量作为输入进行广义RDSS定位处理，同时接收机并行进行RDSS独立定位与基于剩余可视卫星号的RNSS独立定位；然后，将广义RDSS定位的结果、RNSS定位结果分别与RDSS定位结果进行互差拟合，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，若广义RDSS定位结果偏差未超出阈值，说明选取的两颗卫星不是欺骗卫星号，若偏差超出阈值，说明选取的两颗卫星为欺骗卫星号；若RNSS定位结果偏差未超出阈值，说明除选取的两颗卫星外不存在欺骗干扰，若偏差超出阈值，说明除选取的两颗卫星外存在欺骗干扰；将欺骗卫星号进行识别并记录，然后转入下一步继续检测；
步骤（5）中，利用以确定的非欺骗卫星，采用如步骤（4）中的广义RDSS的检测方式，对所有其他卫星进行欺骗检测。
该方法基于北斗导航系统的被动定位特色，安全可靠，稳健性强，对生成式欺骗、再生式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗、组合式欺骗等均有良好的检测效果，欺骗场景应用场景覆盖面广。本方法不需要额外接收机、不需要复杂阵列天线、不需要配套环境支持、不需要变更接收机硬件、不需要外部辅助信息，仅在信息处理算法增加定位模式的融合校验就能够实现多层次的欺骗干扰检测，环境依赖性低，工程化实现简单，可更新性强。
以下为一个更具体的例子：
参照图1和图2，一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，该方法基于北斗卫星导航接收机的传统设计架构，正常进行RDSS/RNSS的独立捕获、跟踪空间可视卫星信号；正常进行双模接收机的RDSS独立定位与RNSS独立定位；鉴于RDSS独立定位为用户认证握手的被动定位模式，且RDSS定位与RNSS定位在不同的频域，其位置不存在被欺骗的技术特征，将其作为位置参考依据，对RDSS定位结果与RNSS定位结果进行互差拟合，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，若偏差未超出阈值，说明两种定位模式正常，不存在欺骗干扰信号；若偏差超出阈值，说明两种定位模式的结果不一致，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号。启动欺骗干扰检测流程。将存在欺骗风险的卫星号进行风险排序，轮换将其对应的伪距作为参考进行广义RDSS定位，剩余卫星进行RNSS独立定位，将定位结果再次与RDSS独立定位结果进行进行互差拟合，判定进行广义RDSS的卫星号是否为欺骗信号，判断RNSS定位结果在剔除风险卫星号后的定位结果是否正常，直至完成所有卫星号的检测，输出欺骗卫星号的告警信息。最终实现欺骗信号的识别与告警输出。
具体实施例当中，选取BDS的B3I频点的13号、21号、26号卫星的单天线欺骗干扰作为欺骗样式，基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法步骤如下：
第1步，北斗双模接收机按照正常流程进行工作，通过接收机模式设置完成RDSS/RNSS双模的捕获、跟踪空间可视卫星信号；正常进行RDSS独立定位与RNSS的独立定位，获取双模的定位结果信息与RNSS的可视卫星号并存储记录；
第2步，将存储的RDSS定位结果与RNSS定位结果进行互差拟合，鉴于RDSS定位为用户认证握手的被动定位模式，将其作为可信位置参考依据，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，偏差超出阈值100米，说明两种定位模式的结果不一致，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号，转入下一步继续检测；
第3步，将RNSS的可视卫星号按照信号功率的欺骗评估因子进行欺骗风险排序，确定可视卫星号序列，可视卫星号序列为13、26、8、21、11、16、21、23、27、30；从序列中选取13、26号卫星作为欺骗识别卫星号，将其伪距观测量作为输入进行广义RDSS定位处理，同时接收机并行进行RDSS独立定位与基于8、21、11、16、21、23、27、30卫星号的RNSS独立定位，并将以上模式的定位结果存储记录。然后转入下一步继续检测；
第4步，将广义RDSS定位结果、RNSS独立定位结果分别与RDSS定位结果进行互差拟合，将互差拟合的结果与定位误差阈值比较，其中广义RDSS定位结果偏差未超出阈值100米，说明13和26号卫星存在欺骗信号；RNSS定位结果偏差未超出阈值100米，说明8、21、11、16、21、26、27、30卫星号中存在欺骗信号；将欺骗卫星号进行识别并记录，然后转入下一步继续检测；
第5步，对可视卫星号序列进行卫星号轮换，将13与26号卫星更换为8与21号，重新进行广义RDSS定位，同时接收机进行RDSS独立定位与基于其他可视卫星号的观测量的RNSS独立定位，直至RNSS卫星号遍历结束。最终完成欺骗卫星号13、26、21的识别、记录与告警输出。
该方法针对当前卫星导航定位设备欺骗干扰检测方式单一，欺骗干扰适应场景存在较大局限性，检测虚警与漏警率高等缺点，利用北斗卫星导航系统的设计优势与已有接收机的双模信号接收特点，基于广义RDSS的伪距域及信息域的联合双模融合处理，实现了接收机欺骗干扰的在线实时高效检测。
本方法的工作原理如下：
本方法在传统北斗双模接收机的基础上，通过独创的基于广义RDSS定位的伪距校验方式实现对欺骗干扰信号的检测与识别，同时利用RDSS定位为被动握手定位方式及广义RDSS为RDSS与RNSS融合的定位方式实现全部RNSS卫星的伪距观测量的遍历与校验。通过对RDSS定位、广义RDSS定位、RNSS定位及卫星号轮询遍历的方式实现所有卫星号伪距的识别，并将识别的欺骗信号信息进行记录与告警输出，完成卫星导航接收机欺骗干扰的实时检测。该方法对普通北斗双模接收机、指挥型北斗双模接收机、授时型北斗双模接收机、基于阵列天线的抗干扰型北斗双模接收机等均适用，简单高效适用范围广。该方法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，本发明利用当前北斗双模接收机的RDSS/RNSS双模接收已成为标配的设备特征，配合双模定位的不同工作模式及RDSS的握手被动定位的技术特征，实现了多样欺骗干扰的有效检测。本发明针对普通北斗双模接收机、指挥型北斗双模用户机、授时型北斗双模接收机、基于阵列天线的抗干扰型北斗双模接收机等均适用，具有简单、高效、适用范围广的优点。同时，本发明不局限于某种单一样式的欺骗干扰，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等所有的欺骗信号均有效。采用本发明方法，可解决普通北斗RDSS/RNSS双模接收机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接收机无法正常定位或定位偏离的问题。

Claims (3)

1.一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）北斗双模接收机启动后，通过RDSS/RNSS双模对空间可视卫星信号进行独立的捕获和跟踪，进行RDSS独立定位与RNSS独立定位，并将两种模式的定位结果与RNSS的可视卫星号进行存储、记录；
（2）将RNSS独立定位的结果与RDSS独立定位的结果进行互差拟合，以RDSS独立定位结果作为可信位置参考依据，将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较，若互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定两种定位模式正常，不存在欺骗干扰信号，完成欺骗干扰检测；否则，判定RNSS定位中存在欺骗干扰信号，转入步骤（3）；
（3）将RNSS的可视卫星号组成可视卫星号序列；
（4）以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出两颗卫星号，每次迭代中，使用本次选出的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将广义RDSS定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较；若某次迭代中，广义RDSS定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定本次选出的两颗卫星号均为非欺骗卫星号，转到步骤（5）；若对于从可视卫星号序列中选出的任两颗卫星号，广义RDSS定位结果的互差拟合结果均超出定位误差阈值，则判定可视卫星号序列中的所有卫星号均为欺骗卫星号，完成欺骗干扰检测；
（5）任选一颗非欺骗卫星号，将该卫星号依次与可视卫星号序列中的每一颗未判定卫星号进行组合，对于每一组合，使用本组合中的两颗卫星号的伪距观测量进行广义RDSS定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将广义RDSS定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较，若广义RDSS定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，则判定本组合中的未判定卫星号不是欺骗卫星号，否则，判定其为欺骗卫星号；最终完成对所有卫星号的欺骗干扰检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，与步骤（4）同时进行的还有如下步骤：
以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出至少四颗卫星号，每次迭代中，使用本次选出的卫星号的伪距观测量进行RNSS独立定位，同时，通过北斗双模接收机进行RDSS独立定位，然后将RNSS独立定位结果与RDSS独立定位结果进行互差拟合，并将互差拟合的结果与定位误差阈值进行比较；直至某次迭代中，RNSS独立定位结果的互差拟合结果未超出定位误差阈值，判定本次选出的卫星号均为非欺骗卫星号，转到步骤（5）。
3.根据权利要求1所述的一种基于广义RDSS定位的卫星导航欺骗干扰检测方法，其特征在于，步骤（3）中，可视卫星号序列中的可视卫星号按照欺骗风险从小到大的顺序进行排列，所述欺骗风险由卫星观测载噪比表征；步骤（4）中，以迭代方式依次从可视卫星号序列中选出两颗卫星号的方式为，从可视卫星号序列的前端开始选取，第i次选取的卫星号是可视卫星号序列中的第i颗和第i+1颗卫星号，i≥1。
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