CN113204033B - 一种基于双频融合的多维域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双频融合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。该方法基于卫星导航接收机的传统设计架构，正常完成空间可视卫星信号的捕获、跟踪与定位；然后利用双频的卫星号与电文中星历、钟差、历书信息差异的校验实现单频欺骗干扰的识别；利用双频电离层误差拟合值检测欺骗干扰信号；将双频电离层误差拟合值与接收机定位解析出的电文中电离层模型的电离层误差值进行互差拟合，利用拟合误差再次检测欺骗干扰信号。该方法不局限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。

Description

一种基于双频融合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，特别是指一种基于双频融合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，卫星导航接收机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。卫星导航接收机广泛应用于通信、导航、雷达、民航、交通等各个领域的定位、测速、导航、授时。随着卫星导航应用的广泛深入，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；基于来波方向估计的阵列天线欺骗干扰检测方式的设备复杂度与平台要求过于苛刻：
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，对设备的平台要求十分苛刻。
针对广泛应用的普通卫星导航接收机，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，通过相关算法更新就能够实现对欺骗干扰的实时检测成为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，提出一种基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法。该方法利用当前卫星导航接收机双频接收已成为标配的设备特征，并配合双频的伪距观测量及欺骗信号一般不会穿越电离层的使用特征，实现了多样欺骗干扰的有效检测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，包括如下步骤：
(1)卫星导航接收机启动后，完成对空间可视卫星号的双频独立捕获和跟踪，获取空间所有可视卫星号的双频的伪距观测量、导航电文以及位置信息，并进行存储、记录；
(2)通过对双频捕获跟踪到的卫星号的对比校验，以及对双频导航电文中星历、钟差、历书的校验，确认双频信号是否为同一信号源辐射出的，若双频的卫星号一致，且双频的星历、钟差、历书一致，则转入步骤(3)；否则，判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测；
(3)对每颗卫星的双频伪距观测量进行线性拟合，求出该卫星的双频的电离层误差；将双频的电离层误差作为参考识别欺骗信号，若双频的电离层误差超出导航频段的阈值，则判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测；否则，转入步骤(4)；
(4)将双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差进行互差拟合，若双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差的拟合误差在误差范围内，则判定为正常信号；否则，判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测。
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传输域、时域、信息域等多个维域，检测方法综合，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贯穿于信号传输、信号处理、电文解调等接收机处理全过程，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伪距校验算法就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、本发明适用于所有的卫星导航系统，并且适用于公开信号与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。
附图说明
图1为基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰示意图。
图2为基于双频融合的多维域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详细说明。
一种基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，其包括如下步骤：
(1)卫星导航接收机启动后按照正常流程进行工作，正常完成双频独立捕获、跟踪空间的可视卫星号，获取空间所有可视卫星号的双频伪距观测量、导航电文信息，并存储记录；
(2)通过对双频观测卫星号的对比校验，双频电文星历、钟差、历书的校验，确认双频信号是否均为同一信号源辐射，若双频的卫星号一致，且双频的电文星历、钟差、历书一致，则识别为正常卫星信号，否则识别为欺骗信号，主要完成单频欺骗信号的识别与检测；然后转入下一步继续进行欺骗检测；
(3)若双频的卫星号与电文校验正常，则对每颗卫星的双频观测伪距进行线性拟合，求出该星双频的电离层误差。基于电离层的高度在地球表面之上100公里，传统的欺骗信号很难穿越电离层，利用正常卫星信号穿射电离层而欺骗信号不穿射电离层的技术特征，将双频的电离层误差作为参考识别欺骗信号，若双频的电离层误差趋近零，则判定为欺骗信号；若双频的电离层误差在导航频段的阈值之内，则判定为正常信号；然后转入下一步继续进行欺骗检测；
(4)若双频的电离层误差在导航频段的阈值之内，将双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差进行互差拟合，若双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差的拟合误差在指定的阈值范围内，则判定为正常信号，若拟合误差超出指定阈值，则判定为欺骗信号。最终完成欺骗信号的识别、记录与告警输出。
步骤(1)中，卫星导航接收机启动后按照正常流程进行工作，通过模式设置完成空间可视卫星信号的双频独立捕获、跟踪、解调与定位解算；获取空间所有可视卫星号的双频伪距观测量、导航电文信息，位置信息并存储记录。
步骤(2)中，根据步骤(1)存储的双频卫星号，对每颗卫星双频对应电文中的星历、钟差、历书进行一致性校验；如果每个频点的卫星号一致，且每个频点对应卫星号的电文中的星历、钟差、历书一致，则识别为正常卫星信号，若每个频点的卫星号不一致或同一颗卫星号不同频点的电文的星历、钟差、历书不一致，则识别为单频欺骗信号，并进行欺骗信号的频点、卫星号的识别与记录；然后转入下一步继续检测；
步骤(3)中，利用步骤(2)检测为正常信号的观测伪距，对每颗卫星的双频观测伪距进行线性拟合，计算该星双频电离层误差。鉴于电离层的高度在地球表面之上100公里，传统的欺骗信号假设很难穿越电离层，利用正常卫星信号穿射电离层而欺骗信号不穿射电离层的技术特征，将双频电离层误差作为依据识别欺骗信号，若双频电离层误差在导航频段的阈值之内，则判定为正常信号；若双频的电离层误差趋近零，则判定为欺骗信号；将欺骗信号的频点、卫星号的识别与记录。然后转入下一步继续检测；
步骤(4)中，利用步骤(3)检测为正常信号的双频电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差进行互差拟合，若双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差的拟合误差在指定的阈值范围内，则判定为正常信号，若拟合误差超出指定阈值，则判定为欺骗信号。
如此，通过传输域、时域、信息域的联合双频融合处理实现接收机欺骗干扰的在线实时高效检测。
以下为一个更具体的例子。
参照图1和图2，一种基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法，该方法基于卫星导航接收机的传统设计架构，正常完成空间可视卫星信号的捕获、跟踪与定位；然后利用双频的卫星号与电文中星历、钟差、历书信息差异的校验实现单频欺骗干扰的识别；再通过双频电离层误差拟合的方式计算出每颗卫星的电离层误差，基于卫星信号穿射电离层，欺骗信号很难穿射电离层的技术特征，通过双频电离层误差拟合值检测欺骗干扰信号；将双频电离层误差拟合值再与接收机定位解析出的电文中电离层模型的电离层误差值进行互差拟合，若两者拟合值在规定的阈值范围之内，则判定为正常信号，否则判定为欺骗信号。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 B1I/B3I频点的9号、11号、26号卫星的双频单天线欺骗干扰作为欺骗样式，基于双频融合的多维域卫星导航欺骗干扰检测方法步骤如下：
第1步，基于卫星导航接收机平台，按照正常流程进行工作，通过模式设置设置成为双频工作模式，完成空间可视卫星信号的双频独立捕获、跟踪、解调与定位解算；经过捕获、跟踪与定位解算，正常接收卫星号分别如下4、7、8、9、11、16、21、26、27、30共十颗；获取空间所有可视卫星号的双频伪距观测量、导航电文信息，位置信息并存储记录。
第2步，将存储的卫星号中每颗卫星的卫星号与对应电文中的星历、钟差、历书进行一致性校验；经比较检验，B1频点的4、7、8、9、11、16、21、26、27、30号卫星与B3频点的对应卫星号一致，并且每颗卫星的的电文中的星历、钟差、历书一致。因此，将以上十颗卫星识别为正常卫星信号，转入下一步继续检测；
第3步，对4、7、8、9、11、16、21、26、27、30号卫星双频观测伪距进行线性拟合，计算该星双频电离层误差。其中B1频点的双频伪距拟合公式为
Figure BDA0003084498620000081
其中EB1为电离层误差，fB1为B1频点的载波频率，fB3为B3频点的载波频率，ρB1为B1频点的伪距测量值，ρB3为B3频点的伪距测量值；经双频电离层误差拟合，其中9号、11号、26号卫星的双频电离层误差为0.1米，0.2米，0.1米，其他卫星的双频电离层误差均在3米以上。9号、11号、26号卫星的双频电离层误差值均小于阈值1米的门限，判定信号未穿射电离层，判定为欺骗信号；
第4步，将判定为正常卫星号的4、7、8、9、11、16、21、26、27、30号卫星的双频电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差进行互差拟合，经互差拟合计算，所有卫星的双频电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差的拟合误差值均小于1米的阈值范围，判定为正常信号。最终完成欺骗信号的识别、记录与告警输出。最终通过双频融合的传输域、时域、信息域的联合处理完成定位设备欺骗干扰的实时高效在线检测。
本方法的工作原理如下：
本方法在传统卫星导航接收机的基础上，通过独创的双频观测融合的方式对空间可视卫星的双频观测量与观测信息进行校验，识别单频欺骗干扰信号，同时通过对空间可视卫星号的双频电离层误差拟合的方式，识别空间可视卫星号的时域伪距观测量是否穿射电离层，鉴于正常卫星信号穿射电离层而欺骗信号不穿射电离层的技术特征，通过双频的电离层误差拟合值判定欺骗信号；经过双频的电离层误差识别后的正常卫星号，再利用双频的电离层误差与信息域的电离层误差模型进行比对，通过互差阈值的判断来识别欺骗干扰信号。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。该方法对普通接收机、授时接收机、基于阵列天线的接收机等均适用，具有简单、高效、适用范围广的优点。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，提出了一种基于双频融合的传输域、时域、信息域的多维域综合欺骗干扰检测方法，特别适用于普通卫星导航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。本发明解决了卫星导航接收机抗欺骗干扰应用场景受限的问题与难点，提高了卫星导航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。
本发明方法贯穿于信号传输、信号处理、电文解调等接收机处理全过程，对生成式欺骗、再生式欺骗、单天线欺骗、多天线欺骗、组合式欺骗等均有良好的检测效果，欺骗场景应用场景覆盖面广。此外，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伪距校验算法就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。

Claims (1)

1.一种基于双频融合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）卫星导航接收机启动后，完成对空间可视卫星号的双频独立捕获和跟踪，获取空间所有可视卫星号的双频的伪距观测量、导航电文以及位置信息，并进行存储、记录；
（2）通过对双频捕获跟踪到的卫星号的对比校验，以及对双频导航电文中星历、钟差、历书的校验，确认双频信号是否为同一信号源辐射出的，若双频的卫星号一致，且双频的星历、钟差、历书一致，则转入步骤（3）；否则，判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测；
（3）对每颗卫星的双频伪距观测量进行线性拟合，求出该卫星的双频的电离层误差；将双频的电离层误差作为参考识别欺骗信号，若双频的电离层误差超出导航频段的阈值，则判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测；否则，转入步骤（4）；
（4）将双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差进行互差拟合，若双频的电离层误差与导航电文中电离层误差模型的电离层误差的拟合误差在误差范围内，则判定为正常信号；否则，判定为欺骗信号，对欺骗信号的频点和卫星号进行识别与记录，完成欺骗干扰检测。
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