CN113640839A - 基于aoa/tdoa的gnss欺骗干扰辐射源定位方法 - Google Patents

基于aoa/tdoa的gnss欺骗干扰辐射源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，包括以下步骤：S1，收集同一时刻所有接收站AOA测量值和TDOA测量值，以及接收站的位置参数；S2，计算辐射源位置的粗略估计结果；S3，估算欺骗干扰辐射源的精确位置。本发明的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，整个辐射源位置求解过程都是解算闭合形式的解析解，计算量小；另外该方法，只要接收站的个数不小于2，即可实现对辐射源的定位，在工程应用中便于实现。

Description

基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于信号到达角AOA(Angle ofArrive)和到达时间差TDOA(Time Difference of Arrive)测量值的GNSS(GlobalNavigation Satellite System)欺骗干扰辐射源定位方法。
背景技术
当前卫星导航系统已广泛应用于国民生活的方方面面。然而，由于到达地面的GNSS信号很微弱，导致其很容易受到干扰。其中欺骗干扰可通过控制目标接收机输出虚假的位置、时间结果，进而控制目标系统，因此危害性最大。当前的抗欺骗方法主要关注的是欺骗干扰的检测，只能起到警示的作用，接收机仍不能正常工作；如果能够定位干扰辐射源，进而击毁辐射源，可完全消除欺骗干扰的影响，保证GNSS接收机能够正常工作。
现有技术使用基于TDOA和功率测量值的GNSS欺骗干扰定位方法来定位欺骗干扰辐射源。该方法需要至少4个接收站才能实现欺骗干扰辐射源的三维定位；另外由于欺骗干扰的辐射功率一般较低，因此其干扰区域也较小，若定位系统中的接收站不在欺骗干扰的辐射范围内，该接收站就无法得到辐射源测量信息，这将导致定位系统的定位性能下降。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种基于信号到达角AOA(Angleof Arrive)和到达时间差TDOA(Time Difference of Arrive)测量值的GNSS(GlobalNavigation Satellite System)欺骗干扰辐射源定位方法。
本发明解其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，包括：
S1，获取所有接收站的位置信息、AOA测量值以及其它接收站与参考接收站之间的TDOA测量值；其中，所述接收站的个数大于等于2；
S2，将AOA测量值和TDOA测量值针对欺骗干扰辐射源位置进行线性化处理，利用非加权最小二乘计算欺骗干扰辐射源位置估计结果，计算加权矩阵，并利用最小二乘估计方法计算欺骗干扰辐射源位置的粗略值；
S3，基于欺骗干扰辐射源位置的粗略估计值对位置误差进行线性化处理，利用最小二乘估计方法估计出位置误差估计结果，基于辐射源位置的粗略估计结果和位置误差估计结果，得到欺骗干扰辐射源位置的精确值。
优选的，所述S1，包括：
令未知欺骗干扰辐射源位置为uo＝[xo,yo,zo]T；获取参与定位的M个GNSS接收站的真实位置为
Figure BDA0003140807180000021
则第i个接收站相对于辐射源的方位角的真值
Figure BDA0003140807180000022
和俯仰角的真值
Figure BDA0003140807180000023
分别表示如下：
Figure BDA0003140807180000024
其中，
Figure BDA0003140807180000025
欺骗干扰辐射源的辐射信号到达角测量值表示为：θ＝θo+nθ，
Figure BDA0003140807180000026
其中θ＝[θ1,θ2,…,θM]T与
Figure BDA0003140807180000027
分别表示方位角与俯仰角的测量值向量，
Figure BDA0003140807180000028
与
Figure BDA0003140807180000029
分别表示方位角与俯仰角的真值向量，
Figure BDA00031408071800000210
与
Figure BDA00031408071800000211
分别表示方位角与俯仰角的测量噪声，其协方差分别记为Qθ和
Figure BDA00031408071800000212
令第i个GNSS接收站到欺骗干扰辐射源之间的距离真值为ri o，则测得的欺骗信号伪距测量值表示为：
Figure BDA00031408071800000213
其中c为信号传播速度，τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延，
Figure BDA00031408071800000214
为伪距测量噪声；
取接收站1为参考接收站，则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值表示为：
Figure BDA00031408071800000215
将所有TDOA测量值写为矢量形式为：r＝ro+nr，其中r＝[r21,r31,…,rM1]T，
Figure BDA00031408071800000216
其协方差矩阵为Qr。
优选的，所述S2，包括：
S21：令
Figure BDA00031408071800000217
为待估参数，其中r1 o为参考接收站1到欺骗干扰辐射源的距离；
将AOA、TDOA测量值相对于待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T线性化为：h-Gρ＝Bα，其中：
Figure BDA0003140807180000031
矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵，矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的表示如下：
Figure BDA0003140807180000032
Figure BDA0003140807180000033
S22：利用非加权最小二乘计算待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T，估计结果为：
Figure BDA0003140807180000034
S23：利用步骤S22中欺骗干扰辐射源位置估计结果，分别计算得到矩阵Ba和Bt的值，然后计算加权矩阵W＝(BQαBT)-1，
Figure BDA0003140807180000035
S24：利用加权最小二乘计算待估参数，估计结果为：
Figure BDA0003140807180000036
Figure BDA0003140807180000037
其中Δu、Δr1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差，记Δρ＝[ΔuT,Δr1]T，则其协方差矩阵为：E[ΔρΔρT]＝(GTWG)-1。
优选的，所述S3，包括：
S31：将参考接收站到辐射源距离r1 o在步骤S2中得到辐射源估计位置
Figure BDA0003140807180000038
处，进行一阶展开，可得
Figure BDA0003140807180000039
其中
Figure BDA00031408071800000310
将
Figure BDA00031408071800000311
代入可得
Figure BDA00031408071800000312
联合方程03×1＝Δu-Δu，可得Δu的线性方程组为：h2-G2Δu＝B2Δρ，矩阵h2、G2、B2表示为：
Figure BDA0003140807180000041
其中，矩阵In表示n阶单位矩阵；
S32：计算加权矩阵
Figure BDA0003140807180000042
S33：获取位置误差Δu的加权最小二乘解为：
Figure BDA0003140807180000043
S34：利用位置误差估计结果
Figure BDA0003140807180000044
修正欺骗干扰辐射源位置粗略值
Figure BDA0003140807180000045
获得欺骗干扰辐射源位置精确解为：
Figure BDA0003140807180000046
本发明的有益效果如下：
本发明的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，在获取接收站AOA、TDOA测量值以及接收站位置信息后，首先根据AOA、TDOA测量值与欺骗干扰辐射源位置之间的几何关系，进行线性化处理，估算得到辐射源位置的粗略值；然后对辐射源估计误差进行估计；最后对辐射源定位结果进行修正，以得到辐射源位置的精确解。基于此，利用接收站AOA、TDOA测量值即可完成欺骗干扰辐射源的定位。整个辐射源位置求解过程都是解算闭合形式的解析解，计算量小；另外该方法，只要接收站的个数不小于2，即可实现对辐射源的定位，在工程应用中便于实现。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是辐射源位置粗略解估算流程图；
图3是辐射源位置精确解估算流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，但不构成对本发明的限制。
参见图1所示，本实施例一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，包括以下步骤：
S1：收集AOA/TDOA测量值及接收站位置信息。
具体的，收集同一时刻所有接收站AOA测量值和TDOA测量值，以及接收站的位置参数。记未知欺骗干扰辐射源位置为uo＝[xo,yo,zo]T；有M个GNSS接收站参与定位，第i个接收站的真实位置记为：
Figure BDA0003140807180000051
记分别
Figure BDA0003140807180000052
为第i个接收站相对于辐射源的方位角和俯仰角的真值，其中
Figure BDA0003140807180000053
则
Figure BDA0003140807180000054
干扰源辐射信号到达角测量值记为：θ＝θo+nθ，
Figure BDA0003140807180000055
其中θ＝[θ1,θ2,…,θM]T与
Figure BDA0003140807180000056
分别表示方位角与俯仰角的测量值向量，
Figure BDA0003140807180000057
与
Figure BDA0003140807180000058
分别表示方位角与俯仰角的真值向量，
Figure BDA0003140807180000059
与
Figure BDA00031408071800000510
分别表示方位角与俯仰角的测量噪声，其协方差分别记为Qθ和
Figure BDA00031408071800000511
记第i个GNSS接收站到辐射源之间的距离真值为ri o，则测得的欺骗信号伪距测量值可表示为：
Figure BDA00031408071800000512
式中c为信号传播速度，τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延，
Figure BDA00031408071800000513
为伪距测量噪声。
所有GNSS接收站的虚假时延是相同的，因此可以通过作差消除这一分量，取接收站1为参考接收站，则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值为：
Figure BDA00031408071800000514
将所有TDOA测量值写为矢量形式为：r＝ro+nr，其中r＝[r21,r31,…,rM1]T，
Figure BDA00031408071800000515
其协方差矩阵为Qr。
S2：估计辐射源位置粗略值；该步骤处理流程参见图2所示，包括以下步骤：
S21：将测量值针对辐射源位置线性化处理。
具体的，引入辅助变量，参考接收站1到辐射源的距离r1 o，记ρ＝[uoT,r1 o]T为待估参数，则根据几何关系，可将AOA、TDOA测量值相对于待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T线性化为：h-Gρ＝Bα，式中
Figure BDA0003140807180000061
式中，矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵，矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的定义分别如下：
Figure BDA0003140807180000062
Figure BDA0003140807180000063
S22：计算非加权最小二乘辐射源位置结果。
由于矩阵Ba、Bt的计算需要知道辐射源的位置，因此首先利用非加权最小二乘计算待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T，估计结果为：
Figure BDA0003140807180000064
S23：计算加权矩阵。
利用步骤S22中辐射源位置估计结果，分别计算得到矩阵Ba、Bt的值，然后计算加权矩阵W＝(BQαBT)-1，
Figure BDA0003140807180000065
其中，Qα表示B中测量值构成的协方差矩阵。
S24：计算得到加权最小二乘辐射源位置结果。
利用加权最小二乘计算待估参数，估计结果为：
Figure BDA0003140807180000066
Figure BDA0003140807180000071
其中Δu、Δr1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差，记Δρ＝[ΔuT,Δr1]T，则其协方差矩阵为：E[ΔρΔρT]＝(GTWG)-1。
S3：估算辐射源位置的精确值；辐射源位置解算流程参见图3所示，包括以下步骤：
S31：针对辐射源粗略位置误差进行线性化处理。
将参考接收站到辐射源距离r1 o在步骤S2中得到辐射源估计位置
Figure BDA0003140807180000072
处，进行一阶展开，可得
Figure BDA0003140807180000073
其中
Figure BDA0003140807180000074
将
Figure BDA0003140807180000075
代入可得
Figure BDA0003140807180000076
联合方程03×1＝Δu-Δu，可得Δu的线性方程组为：h2-G2Δu＝B2Δρ，矩阵h2、G2、B2的定义为：
Figure BDA0003140807180000077
其中矩阵In表示n阶单位矩阵。
S32：计算加权矩阵。
计算加权矩阵
Figure BDA0003140807180000078
S33：计算得到加权最小二乘辐射源位置误差估计。
位置误差Δu的加权最小二乘解为：
Figure BDA0003140807180000079
S34：修改辐射源位置粗略解。
利用位置误差估计结果
Figure BDA00031408071800000710
修正辐射源位置粗略值
Figure BDA00031408071800000711
可得辐射源位置精确解为：
Figure BDA00031408071800000712
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，其特征在于，包括：
S1，获取所有接收站的位置信息、AOA测量值以及其它接收站与参考接收站之间的TDOA测量值；其中，所述接收站的个数大于等于2；
S2，将AOA测量值和TDOA测量值针对欺骗干扰辐射源位置进行线性化处理，利用非加权最小二乘计算欺骗干扰辐射源位置估计结果，计算加权矩阵，并利用最小二乘估计方法计算欺骗干扰辐射源位置的粗略值；
S3，基于欺骗干扰辐射源位置的粗略估计值对位置误差进行线性化处理，利用最小二乘估计方法估计出位置误差估计结果，基于辐射源位置的粗略估计结果和位置误差估计结果，得到欺骗干扰辐射源位置的精确值。
2.根据权利要求1所述的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，其特征在于，所述S1，包括：
令未知欺骗干扰辐射源位置为uo＝[xo,yo,zo]T；获取参与定位的M个GNSS接收站的真实位置为
Figure FDA0003140807170000011
则第i个接收站相对于辐射源的方位角的真值θi o和俯仰角的真值
Figure FDA0003140807170000012
分别表示如下：
Figure FDA0003140807170000013
其中，
Figure FDA0003140807170000014
欺骗干扰辐射源的辐射信号到达角测量值表示为：θ＝θo+nθ，
Figure FDA0003140807170000015
其中θ＝[θ1,θ2,…,θM]T与
Figure FDA0003140807170000016
分别表示方位角与俯仰角的测量值向量，
Figure FDA0003140807170000017
与
Figure FDA0003140807170000018
分别表示方位角与俯仰角的真值向量，
Figure FDA0003140807170000019
与
Figure FDA00031408071700000110
分别表示方位角与俯仰角的测量噪声，其协方差分别记为Qθ和
Figure FDA00031408071700000111
令第i个GNSS接收站到欺骗干扰辐射源之间的距离真值为ri o，则测得的欺骗信号伪距测量值表示为：
Figure FDA0003140807170000021
其中c为信号传播速度，τf为欺骗干扰源模拟的虚假时延，
Figure FDA0003140807170000022
为伪距测量噪声；
取接收站1为参考接收站，则第i个接收站与参考接收站之间的TDOA测量值表示为：
Figure FDA0003140807170000023
将所有TDOA测量值写为矢量形式为：r＝ro+nr，其中r＝[r21,r31,…,rM1]T，
Figure FDA0003140807170000024
Figure FDA0003140807170000025
其协方差矩阵为Qr。
3.根据权利要求2所述的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，其特征在于，所述S2，包括：
S21：令ρ＝[uoT,r1 o]T为待估参数，其中r1 o为参考接收站1到欺骗干扰辐射源的距离；
将AOA、TDOA测量值相对于待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T线性化为：h-Gρ＝Bα，其中：
Figure FDA0003140807170000026
矩阵0m×n表示m×n维全0矩阵，矩阵ha、Ga、Ba、ht、Gt、Bt的表示如下：
Figure FDA0003140807170000027
Figure FDA0003140807170000031
S22：利用非加权最小二乘计算待估参数ρ＝[uoT,r1 o]T，估计结果为：
Figure FDA0003140807170000032
S23：利用步骤S22中欺骗干扰辐射源位置估计结果，分别计算得到矩阵Ba和Bt的值，然后计算加权矩阵W＝(BQαBT)-1，
Figure FDA0003140807170000033
S24：利用加权最小二乘计算待估参数，估计结果为：
Figure FDA0003140807170000034
Figure FDA0003140807170000035
其中Δu、Δr1分别为辐射源位置估计误差和距离估计误差，记Δρ＝[ΔuT,Δr1]T，则其协方差矩阵为：E[ΔρΔρT]＝(GTWG)-1。
4.根据权利要求3所述的基于AOA/TDOA的GNSS欺骗干扰辐射源定位方法，其特征在于，所述S3，包括：
S31：将参考接收站到辐射源距离r1 o在步骤S2中得到辐射源估计位置
Figure FDA0003140807170000036
处，进行一阶展开，可得
Figure FDA0003140807170000037
其中
Figure FDA0003140807170000038
将
Figure FDA0003140807170000039
代入可得
Figure FDA00031408071700000310
联合方程03×1＝Δu-Δu，可得Δu的线性方程组为：h2-G2Δu＝B2Δρ，矩阵h2、G2、B2表示为：
Figure FDA00031408071700000311
其中，矩阵In表示n阶单位矩阵；
S32：计算加权矩阵
Figure FDA00031408071700000312
S33：获取位置误差Δu的加权最小二乘解为：
Figure FDA00031408071700000313
S34：利用位置误差估计结果
Figure FDA00031408071700000314
修正欺骗干扰辐射源位置粗略值
Figure FDA00031408071700000315
获得欺骗干扰辐射源位置精确解为：
Figure FDA00031408071700000316
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CN109917333A (zh) * 2019-01-31 2019-06-21 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 融合aoa观测量与tdoa观测量的无源定位方法
CN111405657A (zh) * 2020-04-02 2020-07-10 哈尔滨工程大学 一种基于csi的到达角与到达时间差单接入点定位方法

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