CN113534200A - 一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法 - Google Patents

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杨成钢
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Abstract

本发明公开了一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，具体包括：接收机开机跟踪卫星频点导航信号；利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；求定位结果标准差；将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别。本发明通过接收机接收不同导航系统不同频点信号后单独计算定位结果，再求所有定位结果标准差，根据目前各大导航系统官方公布的定位精度，设置定位结果标准差的告警门限，一旦出现超出告警门限结果，则将每个频点的定位结果与标准差对比来发现欺骗干扰信号。本发明提供了利用定位标准差结果进行欺骗干扰检测的方法，提高了接收机抗欺骗干扰能力，并具有实现成本低、适用性广等优点。

Description

一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法。
背景技术
电力行业是国家最重要的基础行业之一，电网安全直接影响国计民生和国家安全。在电网运行过程中，对时间同步的依赖日益显著，时间同步系统已成为电力自动化系统运行的基础支持系统，例如，WAMS系统利用时间同步装置同步整个监测域内的采集数据，并对数据依据时域对齐以进行进一步的广域保护计算；又比如，调度系统利用带有时标的网络报文记录数据对故障进行分析，查找故障发生的起始点和影响时序，分析故障原因；再比如，安全防护系统利用已同步的时间戳进行密钥生成、解密计算以及证书确认等操作，等等。
到目前为止，在电力行业北斗授时技术已取代GPS授时技术，成为时间同步系统所采用的主流授时技术。但通过伊朗俘获美国RQ-170无人机等事实可以了解到，利用虚假卫星信号攻击卫星导航接收机，使其产生错误的定位和授时信息，已经从理论研究走向现实应用，在现有抗欺骗技术中，针对虚假卫星导航信号的检测方法大都需要额外增加软硬件资源，应用这些方法需要更换电力系统存量的卫星授时接收机，因此在成本和灵活性方面不具有优势。
如中国专利CN107817464A，公开日2018年3月20日，一种基于定向天线的抗干扰抗欺骗ADS-B接收机及其接收方法，具体包括通过多个定向天线构成天线阵列，每个定向天线均与一个专有的接收通道连接，实现信号放大、滤波和混频操作，并由专有的解调解码模块对信号进行解调，得到飞行器的状态信息，然后通过提取飞行器的位置信息，由方向计算模块通过飞行器的位置信息和接收机的位置信息估计出来波方向，再通过比较模块实现估计来波方向与接收该信号的定向天线的来波方向范围进行匹配，将匹配结果和飞行器状态信息通过输出模块发送给控制系统。其需要多个定向天线构成天线阵列来实现抗干扰抗欺骗，设备安装较为复杂，需要寻求更简便的卫星授时接收机抗欺骗方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的卫星授时接收机抗欺骗方法存在需要额外增加硬件资源导致成本过高的技术问题。提出了一种无需更换硬件的多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，包括如下步骤：
S1：接收机开机跟踪卫星频点导航信号；
S2：利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；
S3：求定位结果标准差；
S4：将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别。
一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，包括：S1：静态应用场景下，多模多频卫星导航授时接收机开机后跟踪所有可接收的卫星频点导航信号；S2：等待几何精度因子和伪距误差修正满足要求，利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；S3：按照所有频点定位结果求定位结果标准差；S4：根据标准差预设门限，将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别，可设置阈值，最后根据定位结果与定位标准差的差值是否超过阈值，可判定是否为欺骗信号，若超过阈值，则判断存在欺骗干扰，可通过空接点闭合、告警指示灯闪烁以及定位信息输出无效等方式输出告警，并找出欺骗干扰信号是在哪个系统哪个频点告知用户。
作为优选，所述步骤S2包括如下步骤：
S21：各导航系统卫星星历收齐；
S22：设为单模单频模式，利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算；
S23：判断几何精度因子GDOP值是否小于3，若是，则进行步骤S24，若不是则返回步骤S22；
S24：定位结果累加a次，求定位结果平均值；
S25：依次设置其它单模单频模式，直至所有频点都计算完毕。
利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算一实施例的步骤为：S21：当每个卫星导航系统跟踪上第一颗卫星后，开始计时，北斗等待12分钟、GPS等待12.5分钟、GLONASS等待2.5分钟、GALILEO等待10分钟；等待多模多频卫星导航授时接收机收齐完整星历；
S22：当所有导航系统等待时间到达后，将接收机设置为单模单频模式，开始利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；
S23：几何精度因子GDOP值是否小于3，是则转B4，否则转B2；
S24：累加30次求定位结果平均值，以减少随机误差；
S25：转至S21，按照上述过程再依次设置其它单模单频模式，直至所有频点都计算完毕。
作为优选，所述步骤S3包括如下步骤：
S31：判断定位结果平均值的数量是否大于等于3，若是，则进行步骤S32，若不是，则进行步骤S33；
S32：按照定位结果平均值计算标准差；
S33：计算过程结束。
若定位结果平均值的数量大于等于3，按照定位结果平均值中经度、纬度和高程单独计算标准差，多定位结果平均值的数量小于3，则结束定位结果标准差的计算过程。
作为优选，所述步骤S4包括如下步骤：
S41：判断定位结果标准差是否大于10米，若是，则进行步骤S42，若不是，则进行步骤S46；
S42：将频点定位结果与标准差做差，得到差值b；
S43：判断差值b是否超出20米，若是，则转至步骤S44；若不是，则转至步骤S45；
S44：警示该频点存在欺骗信号风险，隔离该频点信号；
S45：判断是否已判别全部频点，若是，则转至步骤S46，若不是，则转至下一个频点并返回步骤S42；
S46：判别过程结束。
利用定位结果标准差进行欺骗干扰信号判别的具体实施步骤如下：
S41：鉴别定位结果标准差是否大于门限10米，是则转S42，否则转S46；
S42：将每个频点定位结果与标准差做差；
S43：判断差值是否超出门限20米，如果是，则转至步骤S44；如果不是，则转至步骤S46；
S44：警示该频点存在欺骗信号风险，隔离该频点信号，不使用其用于定位授时，转至步骤S46；
S45：判别下一个频点的定位结果与标准差的差值，都判别过了，转至步骤S46；
S46：判别过程结束。
可以理解为逐个将单个频点定位结果进行与所有定位结果平均值做差，若差值超过门限，则该频点卫星导航信号是欺骗干扰信号，进行检测告警提示。其中告警提示包括空接点闭合、告警指示灯闪烁以及定位信息输出无效。
作为优选，累加次数a至少为30。累加次数a大于等于30，将定位结果累加至少30次后求定位结果平均值，以减少随机误差影响，便于确保该单模单频模式中定位结果平均值的准确性。
作为优选，所述步骤S21中各导航系统收齐卫星星历的过程为：当每个卫星导航系统均跟踪上第一颗卫星后，开始计时，北斗导航系统等待至少12分钟、GPS导航系统等待至少12.5分钟、GLONASS导航系统等待至少2.5分钟、GALILEO导航系统等待至少10分钟，多模多频卫星导航授时接收机收齐完整星历后，进行步骤S22。因不同导航系统星历更新周期不一样，北斗需要12分钟、GPS需要12.5分钟、GLONASS需要2.5分钟、GALILEO需要10分钟，可用的定位结果等待时间不一样，所以需要针对不同导航系统设置不同的等待时间。
作为优选，所述定位结果标准差的计算公式为：
Figure BDA0003127340920000041
其中，σ是定位结果标准差，n是定位结果数量，xi是第i个频点的定位结果，x是定位结果平均值。运用上述公式计算出定位结果标准差，用于后续对比判别。
作为优选，所述接收机采用多模多频卫星导航授时型接收机。本方法使用多模多频卫星导航授时型接收机进行抗欺骗的分析判定。
本发明的实质性效果是：本发明利用多模多频卫星导航授时接收机可接收不同导航系统不同频点信号，通过计算各频点定位结果标准差是否满足预设的告警门限，进行欺骗信号识别，该方法无需替换目前电力系统中存量的多模多频卫星授时接收机，方法简单，能有效减少成本，功耗基本不增加。
附图说明
图1为本实施例实施步骤的流程示意图；
图2为利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算的流程示意图；
图3为求定位结果标准差的流程示意图；
图4为利用定位结果标准差进行欺骗干扰信号判别的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：接收机开机跟踪卫星频点导航信号；所述接收机采用多模多频卫星导航授时型接收机。本方法使用多模多频卫星导航授时型接收机进行抗欺骗的分析判定。
S2：利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；所述步骤S2包括如下步骤：
S21：各导航系统卫星星历收齐；所述步骤S21中各导航系统收齐卫星星历的过程如图2所示，：当每个卫星导航系统均跟踪上第一颗卫星后，开始计时，北斗导航系统等待至少12分钟、GPS导航系统等待至少12.5分钟、GLONASS导航系统等待至少2.5分钟、GALILEO导航系统等待至少10分钟，多模多频卫星导航授时接收机收齐完整星历后，进行步骤S22。因不同导航系统星历更新周期不一样，北斗需要12分钟、GPS需要12.5分钟、GLONASS需要2.5分钟、GALILEO需要10分钟，可用的定位结果等待时间不一样，所以需要针对不同导航系统设置不同的等待时间。
S22：设为单模单频模式，利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算；
S23：判断几何精度因子GDOP值是否小于3，若是，则进行步骤S24，若不是则返回步骤S22；
S24：定位结果累加a次，求定位结果平均值；
S25：依次设置其它单模单频模式，直至所有频点都计算完毕。累加次数a至少为30。累加次数a大于等于30，将定位结果累加至少30次后求定位结果平均值，以减少随机误差影响，便于确保该单模单频模式中定位结果平均值的准确性。
S3：求定位结果标准差；所述步骤S3如图3所示，包括如下步骤：
S31：判断定位结果平均值的数量是否大于等于3，若是，则进行步骤S32，若不是，则进行步骤S33；
S32：按照定位结果平均值计算标准差；
S33：计算过程结束。若定位结果平均值的数量大于等于3，按照定位结果平均值中经度、纬度和高程单独计算标准差，多定位结果平均值的数量小于3，则结束定位结果标准差的计算过程。所述定位结果标准差的计算公式为：
Figure BDA0003127340920000051
其中，σ是定位结果标准差，n是定位结果数量，xi是第i个频点的定位结果，
Figure BDA0003127340920000052
是定位结果平均值。运用上述公式计算出定位结果标准差，用于后续对比判别。
S4：将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别。所述步骤S4如图4所示，包括如下步骤：
S41：判断定位结果标准差是否大于10米，若是，则进行步骤S42，若不是，则进行步骤S46；
S42：将频点定位结果与标准差做差，得到差值b；
S43：判断差值b是否超出20米，若是，则转至步骤S44；若不是，则转至步骤S45；
S44：警示该频点存在欺骗信号风险，隔离该频点信号；
S45：判断是否已判别全部频点，若是，则转至步骤S46，若不是，则转至下一个频点并返回步骤S42；
S46：判别过程结束。
本实施例包括：S1：静态应用场景下，多模多频卫星导航授时接收机开机后跟踪所有可接收的卫星频点导航信号；S2：等待几何精度因子和伪距误差修正满足要求，利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；S3：按照所有频点定位结果求定位结果标准差；S4：根据标准差预设门限，将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别，可设置阈值，最后根据定位结果与定位标准差的差值是否超过阈值，可判定是否为欺骗信号，若超过阈值，则判断存在欺骗干扰，可通过空接点闭合、告警指示灯闪烁以及定位信息输出无效等方式输出告警，并找出欺骗干扰信号是在哪个系统哪个频点告知用户。
本实施例采用的方法是基于对多模多频卫星导航授时接收机在静态应用场景下，此场景接收机位置不发生移动，通过加大样本数可以减少噪声影响，可以获得更高检测概率，该方法可以扩展到通过速度和钟差结果进行欺骗干扰检测，因此本发明实施例是一种在应用层面上的抗欺骗方法。
如果没有卫星几何精度因子、误差和噪声等影响，理论上各导航系统各频点的定位结果是一致的，而在几何精度因子、误差和噪声正常条件下，各导航系统各频点的定位结果也比较小。比如北斗导航系统和GALILEO导航系统定位水平精度5米，高程精度10米以内，GPS导航系统定位水平精度2-3米，高程精度5米以内，GLONASS系统定位精度在5米以内。要达到以上定位精度，一般需要两个先决条件：几何精度因子和伪距误差都要小。
本发明要求：一是几何精度因子GDOP值要小于3，二是需要收齐卫星导航完整星历，这样确保可进行伪距误差修正，不过不同导航系统星历更新周期不一样，北斗需要12分钟、GPS需要12.5分钟、GLONASS需要2.5分钟、GALILEO需要10分钟，因此可用的定位结果等待时间不一样。
达到上述两个条件的定位结果，就可以进入利用定位结果标准差判定欺骗干扰流程。
当个别系统存在欺骗干扰时定位结果标准差就会变大，若超过门限，则判断存在欺骗干扰，通过空接点闭合、告警指示灯闪烁以及定位信息输出无效等方式输出告警，并找出欺骗干扰信号是在哪个系统哪个频点告知用户。
定位结果标准差的计算公式：
Figure BDA0003127340920000061
上式中，σ是定位结果标准差，n是定位结果数量，xi是第i个频点的定位结果，
Figure BDA0003127340920000062
是定位结果平均值。
基于以上基本原理，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1显示了本发明欺骗干扰信号检测方法一实施例的流程示意图。具体实施步骤如下：
S1：静态应用场景下，多模多频卫星导航授时接收机开机后跟踪所有可接收的卫星频点导航信号；
S2：等待几何精度因子和伪距误差修正满足要求，利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；
S3：将所有频点定位结果求定位结果标准差；
S4：根据标准差预设门限，将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别。
图2显示利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算一实施例的流程示意图。具体实施步骤如下：
S21：当每个卫星导航系统跟踪上第一颗卫星后，开始计时，北斗等待12分钟、GPS等待12.5分钟、GLONASS等待2.5分钟、GALILEO等待10分钟；等待多模多频卫星导航授时接收机收齐完整星历。
S22：当所有导航系统等待时间到达后，将接收机设置为单模单频模式，开始利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；
S23：几何精度因子GDOP值是否小于3，是则转B4，否则转B2；
S24：累加30次求定位结果平均值，以减少随机误差；
S25：转至B1，按照上述过程再依次设置其它单模单频模式，直至所有频点都计算完毕。
图3显示所有定位结果求定位结果标准差一实施例的流程示意图。具体实施步骤如下：
S31：定位结果平均值数量是否大于等于3，是则转C2，否则转C3；
S32：将定位结果平均值计算标准差；
S33：计算过程结束。
图4显示利用定位结果标准差进行欺骗干扰信号判别一实施例的流程示意图。具体实施步骤如下：
S41：鉴别定位结果标准差是否大于门限10米，是则转D2，否则转D6；
S42：将每个频点定位结果与标准差做差；
S43：判断差值是否超出门限20米，如果是，则转至步骤D4；如果不是，则转至步骤D6；
S44：警示该频点存在欺骗信号风险，隔离该频点信号，不使用其用于定位授时，转至步骤D6；
S45：判别下一个频点的定位结果与标准差的差值，都判别过了，转至步骤D6；
S46：判别过程结束。
本实施例为多模多频卫星导航授时型接收机抗欺骗方法，利用定位结果标准差进行欺骗干扰信号检测，无需替换原有接收机硬件，只需在接口控制软件算法进行调整，方法简单，成本、体积、功耗基本不增加。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：接收机开机跟踪卫星频点导航信号；
S2：利用不同导航系统不同频点的观测数据进行分别定位解算；
S3：求定位结果标准差；
S4：将每个频点的定位结果与定位标准差做差进行欺骗卫星信号判别。
2.根据权利要求1所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
S21：各导航系统卫星星历收齐；
S22：设为单模单频模式，利用不同导航系统不同频点的观测数据分别进行定位解算；
S23：判断几何精度因子GDOP值是否小于3，若是，则进行步骤S24，若不是则返回步骤S22；
S24：定位结果累加a次，求定位结果平均值；
S25：依次设置其它单模单频模式，直至所有频点都计算完毕。
3.根据权利要求1或2所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31：判断定位结果平均值的数量是否大于等于3，若是，则进行步骤S32，若不是，则进行步骤S33；
S32：按照定位结果平均值计算标准差；
S33：计算过程结束。
4.根据权利要求1或2所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：
S41：判断定位结果标准差是否大于10米，若是，则进行步骤S42，若不是，则进行步骤S46；
S42：将频点定位结果与标准差做差，得到差值b；
S43：判断差值b是否超出20米，若是，则转至步骤S44；若不是，则转至步骤S45；
S44：警示该频点存在欺骗信号风险，隔离该频点信号；
S45：判断是否已判别全部频点，若是，则转至步骤S46，若不是，则转至下一个频点并返回步骤S42；
S46：判别过程结束。
5.根据权利要求2所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，累加次数a至少为30。
6.根据权利要求2或5所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述步骤S21中各导航系统收齐卫星星历的过程为：当每个卫星导航系统均跟踪上第一颗卫星后，开始计时，北斗导航系统等待至少12分钟、GPS导航系统等待至少12.5分钟、GLONASS导航系统等待至少2.5分钟、GALILEO导航系统等待至少10分钟，多模多频卫星导航授时接收机收齐完整星历后，进行步骤S22。
7.根据权利要求3所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述定位结果标准差的计算公式为：
Figure FDA0003127340910000021
其中，σ是定位结果标准差，n是定位结果数量，xi是第i个频点的定位结果，x是定位结果平均值。
8.根据权利要求1或2所述的一种多模多频卫星导航授时接收机抗欺骗方法，其特征在于，所述接收机采用多模多频卫星导航授时型接收机。
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